摘 要：本文列舉了單片機(jī)在熱處理爐中的一個實(shí)際應(yīng)用，并對設(shè)計的WDY-1溫控儀的組成及主要電路的作用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 關(guān)鍵詞：單片機(jī);控制;溫度。 1 前言 　　單片微型計算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。 　　東風(fēng)汽車公司變速箱廠熱工科無罐爐，主要用于變速箱齒輪、軸類零件的滲碳熱處理工序。原來用XWB型自動平衡記錄儀控制溫度，二位式控溫方式，使得具有大慣量性的無罐爐溫度波動大，誤差達(dá)±10℃左右。并且儀表使用環(huán)境教惡劣，油煙、灰塵常使儀表的機(jī)械傳動部分卡死，不但維修工作量大，而且產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)不斷壯大，產(chǎn)品市場競爭激烈，優(yōu)勝劣汰。由此，我們經(jīng)過認(rèn)真的調(diào)研和設(shè)計，尋求了一種更好的控溫方法，亦即本文介紹的WDY-1溫控儀取代XWB型自動平衡記錄儀。 2 WDY-1溫度儀介紹 　　該儀器采用美國Intel公司八位單片機(jī)作為控制核心，配以其他進(jìn)口集成電路，加上精心對軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了儀表智能化?？膳c熱電偶、熱電阻等傳感器配合使用，對0～1600℃范圍內(nèi)的各種電加熱爐的溫度進(jìn)行精密測量，同時，四位LED顯示器直接跟蹤顯示被控對象的溫度值，準(zhǔn)確度高，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用方便。 　　WDY-1溫控儀原理框圖如圖1所示。整個儀表的工作原理是：由8031單片機(jī)控制，按預(yù)先編制的程序定時對熱電偶信號（即被測信號）進(jìn)行采樣，并自動進(jìn)行零漂校正，最后顯示所測溫度值，同時按設(shè)定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動進(jìn)行PID參數(shù)自整定和運(yùn)算，并輸出0～10mA控制電流，配以主回路實(shí)現(xiàn)溫度的控制。 [align=center] 圖1 WDY-1溫控儀原理框圖[/align] 3 WDY-1溫控儀的測量及控制作用 　　該溫控儀屬智能化儀表，測量精度0.2級，顯示分辨率1℃，控制精度0.5級，控制方式為PID算法，設(shè)定方式為直接溫度值設(shè)定，同時具有超溫及斷偶報警，因而內(nèi)部的電路比較多，下面就該測量儀中主要電路及各個環(huán)節(jié)的作用予以介紹。 　　1） 熱電偶 　　型號 WRN，分度號K，測溫范圍0～1300℃，可以長時間工作在0～1000℃，短時間工作到1300℃，是一種測量溫度信號的傳感器，其正極是鎳锘合金，負(fù)極是鎳硅合金。使用時直接按要求放進(jìn)無罐爐，鎳锘-鎳硅作為一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，在測取熱電勢時，其冷端溫度T0=0℃（實(shí)際應(yīng)用中要通過補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)），根據(jù)測得的熱電勢通過查表，可以直接讀出熱端溫度值?？梢?，熱電偶在爐中的位置并不是任意的，其熱端所處的位置必須準(zhǔn)確反映爐溫。另外，熱電偶性能的好壞直接影響熱處理工件的質(zhì)量，因此，必須定期對熱電偶進(jìn)行檢查、更換。 　　2） 預(yù)處理電路 　　其作用包括：對熱電偶信號的冷端補(bǔ)償;斷偶報警保護(hù);三極濾波。電路組成見圖2，圖中冷端補(bǔ)償電路主要為一直流電橋，Rt為銅電阻，是一標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，當(dāng)溫度變化時，Rt的阻值將發(fā)生變化，因此把Rt放置在熱電偶的冷端，讓其感受冷端溫度的變化。當(dāng)溫度=0℃時，橋壓輸出U0=0V，如果溫度升高，則Rt變大，使橋壓輸出大于零，由此橋壓的輸出值即熱電偶冷端溫度所對應(yīng)的熱電勢。斷偶報警通過8031輸出控制四位LED顯示器同時閃爍顯示“E”或蜂鳴器報警（電路未畫）。 [align=center] 圖2 預(yù)處理電路[/align] 　　3） 放大及切換電路 　　由4066B四雙向開關(guān)和兩級運(yùn)算放大器組成。首先，在8031的控制下，模擬地信號經(jīng)兩級放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，在8031內(nèi)完成模擬地和數(shù)字地的轉(zhuǎn)換。然后，參考電壓輸入放大，送到A/D轉(zhuǎn)換器，為測熱電偶信號做好準(zhǔn)備，最后熱電偶信號輸入放大，送A/D轉(zhuǎn)換?？梢?，該電路的作用是：把熱電偶拾取的信號放大，以及把模擬地在單片機(jī)的控制下轉(zhuǎn)換為數(shù)字地。 　　4） 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 　　由4066B四雙向開關(guān)和LM358低功耗雙運(yùn)算放大器組成。轉(zhuǎn)換原理是雙積分式轉(zhuǎn)換，整個過程分為三個階段，（1）休止期：消除積分器上的零偏電壓。（2）積分期：將放大后的模擬電壓信號在時間T1（T1為定值）內(nèi)積分;（3）反積分期：對標(biāo)準(zhǔn)電壓反向積分，這樣就將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔，最后利用時鐘脈沖和計數(shù)器將此時間間隔轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號[1]。 　　5）撥盤定值電路 　　用來設(shè)定工藝溫度。由3 位撥盤和專用I/O擴(kuò)展芯片8243組成，3 位覆蓋了實(shí)際的溫度使用范圍，通過撥盤直接設(shè)定溫度值，利用撥盤內(nèi)部觸點(diǎn)的開合，分別把個、十、百、千位上預(yù)置的溫度送入8243芯片，然后根據(jù)單片機(jī)指令，把設(shè)定值送入8031內(nèi)存。 　　6）顯示電路 　　由74LS247七段譯碼器、74LS139雙二四線譯碼器、74LS05六倒向器各一片和四位LED顯示器組成。8031單片機(jī)把要顯示的熱電偶溫度信號通過P1.0～P1.3口送到74LS247，經(jīng)譯碼后送七段數(shù)碼顯示器，然后再由8031的P1.4～P1.5口輸出位選通信號，選通要顯示的位。四位顯示器從個位到千位依次輪番點(diǎn)亮，每位顯示時間1ms，顯示實(shí)際測量的溫度以及斷偶報警。 　　7）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 　　將PID運(yùn)算的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，經(jīng)放大和V/I轉(zhuǎn)換后得到0～10mA的電流連續(xù)信號作為輸出控制。 　　8）RS-232通訊接口 　　如圖3所示，將單片機(jī)作為前端機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或預(yù)處理，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路獲得與TTL電平兼容的信號電壓，最后通過RS-232通訊接口電路將采集的數(shù)據(jù)儲存到系統(tǒng)機(jī)內(nèi)[2]，以便今后查詢或備份。 [align=center] 圖3 通訊接口[/align] 4 控制規(guī)律的選擇與分析 　　1）被測對象的特征 　　本文熱處理爐的溫度要求在任何時間都保持定值（或在規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)），但由于外界影響，例如，材料的加入、電源電壓的波動等，會使?fàn)t溫有一定程度的變化。 　　2）控制規(guī)律的選擇 　　根據(jù)被測對象的特征，必須選擇一種控制規(guī)律，使?fàn)t溫有變化趨勢時而被限制，本系統(tǒng)采用自整定PID調(diào)節(jié)。當(dāng)WDY-1溫控儀剛進(jìn)入工作狀態(tài)時，有一個飛升機(jī)會，儀器將輸出100%，使?fàn)t子溫度按較陡斜率上升到給定值的80%左右（滿足快速性要求），然后根據(jù)爐子的溫度變化率、溫度偏差以及純滯后的特點(diǎn)，直接按事先放置在內(nèi)存中的經(jīng)驗(yàn)表格，查出對應(yīng)的PID參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自動整定過程，按PID運(yùn)算并輸出，實(shí)現(xiàn)爐子溫度的自動控制（滿足無靜差要求）。同時，該整定過程還省去了儀器初始整定的麻煩，使用方便。 5 結(jié)束語 　　該溫控儀從設(shè)計到應(yīng)用，一直從實(shí)際出發(fā)，比如技術(shù)指標(biāo)、使用環(huán)境的要求等。實(shí)踐證明，WDY-1溫控儀控制精度比較高，而且節(jié)省人力，并設(shè)有超溫和斷偶報警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。另外，該儀器與適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器配合可與被測對象組成PID爐溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)[3]，通過自動調(diào)節(jié)，輸入電爐的電壓幾乎可以無慣性地作相應(yīng)的改變，使?fàn)t溫控制在設(shè)定值上。 6 參考文獻(xiàn) 　　[1]戴明楨、周建江編，微型計算機(jī)接口技術(shù)[M]，北京：航空工業(yè)出版社，1993 　　[2]孫育才編，單片微型計算機(jī)及其應(yīng)用[M]，江蘇：東南大學(xué)出版社，1987 　　[3]李均宜編，爐溫儀表與熱控制[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981