單片機在爐溫控制中的應用

1 引言

單片機具有集成度高，運算快速快，體積小、運行可靠，價值低廉，因此在過程控制、數據采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網絡技術等方面得到廣泛應用，本文主要介紹單片機在爐溫控制中的應用。

在工業生產中，有很多行業有大量的加熱設備，如用于熱處理的加熱爐、用于熔化金屬的坩堝爐，以及各種不同用途的加熱爐，反應爐，這樣溫度就成為了工業對象中一種重要的被測控對象，但是由于爐子的種類，用途不同，因此，采用的加熱方法及燃料也就不同，如煤氣、天然氣、油、電等，但究其控制系統本身的動態特性而言，基本上都是一階純滯后環節。

實踐證明，用于工業生產中的爐溫控制的微機控制系統具有高精度、功能強、經濟性好的特點，無論在提高產品質量還是產品數量，節約能源，還是改善勞動條件等方面都顯示出無比的優越性。

2 整體設計及其工作原理

對于溫度控制，可采用適用于工業控制的單片機組成的自動控制系統，其硬件原理如圖1。

其系統被測參數主要是溫度，被測參數溫度值由熱電偶傳感器測定后得到的mV信號經過溫度變送器放大濾波后變為0－5V的電壓信號，再送到采樣/保持器，經過A/D轉換器后，將模擬信號變為數字信號進入8031單片機，在單片機進行數據處理，一方面，與所設定的期望溫度值進行比較后，產生偏差信號，單片機根據預定的PID算法計算出相應的控制量，該控制量控制雙向可控硅的導通和關閉，以便切斷和連通加熱設備，從而控制溫度穩定在設定值上，另一方面送去顯示接口，并判斷是否有報警需要。

3 硬件接口設計

3.1 溫度檢測元件及溫度變送器

由于所測的溫度不同，所以選用的檢測元件也就不盡相同，目前的熱點偶傳感器有：鉑鐒10－鉑熱電偶，其可在1300℃以下范圍長期工作，符號LB；鎳鉻－鎳硅熱電偶，測量范圍在－50～＋1312℃，符號EU等等，溫度傳感器輸出的都是mV信號，而溫度變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成，其毫伏變送器就是把溫度傳感器的mV信號變換成mA的電流；電流/電壓變送器再把毫伏變送器輸出的mA電流變成V電壓。

3.2 8031的接口電路

8031的接口電路有A/D轉換器，8155、報警設置、AC－SSR等芯片，其中8155作為LED和鍵盤接口，A/D轉換器作為溫度測量電路的輸入接口。

3.2.1 A/D轉換及數據采集

根據需要，A/D轉換器可采用ADC0809或AD574，ADC0809與AD574不同在于：ADC0809的數字量是8位，轉換時間為100μs，輸入模擬電壓為單極性的0－5V，而AD574的數字量位數可設成8位也可以設為12位，且無需外接CLOCK時鐘，轉換時間達到25μs，輸出模擬電壓可以是單極性的0－10V或0－20V，也可以是雙極性的±5V或±10V之間，這里以AD574為例。

AD574的VIN和采樣/保持器的VOUT相連，采樣/保持器的工作狀態由AD574的轉換結束STS的狀態控制，當A/D轉換正在進行時，STS輸出為高電平，經反相后，變為低電平，送到采樣/保持器的邏輯控制端，使其處于保持狀態，開始A/D轉換，轉換結束后，STS變為低電平，反相后變為高電平，使采樣/保持器進入采樣狀態。

3.2.2 鍵盤顯示接口

鍵盤顯示系統采用8155芯片控制4×4矩陣鍵盤和4個七段數碼管LED顯示，以實現用戶的輸入和數據輸出。鍵盤的16個鍵中0－9為數字鍵，A－F為功能鍵，完成參數設置、顯示方式選擇、自動/手動轉換、系統停止和啟動。

系統中將8155的B口作為顯示接口，經74LS48的驅動器與LED相連，8155的A口的PA3－PA0作為掃描接口，從B口的PB3－PB0讀入列值，鍵盤處理為中斷方式，所以8155的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態時為輸入方式，在鍵盤中斷服務程序處理過程中為輸入方式。

3.2.3 報警部分

可采用單頻報警，如圖1，其中7406是驅動器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0輸出高電平時，7406輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音。

3.2.4 溫度控制部分

對于溫度的控制可通過帶光電隔離的過零觸發型雙向可控硅AC－SSR來實現。如圖2所示。

AC－SSR和加熱絲串接在交流200V50Hz的電源上，AC－SSR接通時間可以通過AC－SSR控制極上觸發脈沖控制，過零檢測電路輸出經反相器和8031的T0輸出相“與”后去觸發AC－SSR（高電平觸發），若T0在1s內總為高電平，則AC－SSR被開通100次，此時達最大功率加熱；反之，若T0在1s內總為低電平，則AC－SSR輸出功率為0，在給定周期T內，只要改變AC－SSR接通時間就可改變加熱器功率，從而達到調節溫度的目的。

4 軟件設計

溫度控制程序所要完成的任務：8031，8155芯片的初始化以及分配內存單片及設置定時器參數，溫度采樣，數字濾波，進行轉換計算，判斷溫度是否在規定范圍內，超限報警和處理；顯示溫度及輸入控制。