單片機在爐溫控制中的應(yīng)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(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，本文主要介紹單片機在爐溫控制中的應(yīng)用。

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多行業(yè)有大量的加熱設(shè)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(yīng)爐，這樣溫度就成為了工業(yè)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(tǒng)本身的動態(tài)特性而言，基本上都是一階純滯后環(huán)節(jié)。

實踐證明，用于工業(yè)生產(chǎn)中的爐溫控制的微機控制系統(tǒng)具有高精度、功能強、經(jīng)濟性好的特點，無論在提高產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)品數(shù)量，節(jié)約能源，還是改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。

2 整體設(shè)計及其工作原理

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

其系統(tǒng)被測參數(shù)主要是溫度，被測參數(shù)溫度值由熱電偶傳感器測定后得到的mV信號經(jīng)過溫度變送器放大濾波后變?yōu)?－5V的電壓信號，再送到采樣/保持器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號進入8031單片機，在單片機進行數(shù)據(jù)處理，一方面，與所設(shè)定的期望溫度值進行比較后，產(chǎn)生偏差信號，單片機根據(jù)預(yù)定的PID算法計算出相應(yīng)的控制量，該控制量控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉，以便切斷和連通加熱設(shè)備，從而控制溫度穩(wěn)定在設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換器，8155、報警設(shè)置、AC－SSR等芯片，其中8155作為LED和鍵盤接口，A/D轉(zhuǎn)換器作為溫度測量電路的輸入接口。

3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)需要，A/D轉(zhuǎn)換器可采用ADC0809或AD574，ADC0809與AD574不同在于：ADC0809的數(shù)字量是8位，轉(zhuǎn)換時間為100μs，輸入模擬電壓為單極性的0－5V，而AD574的數(shù)字量位數(shù)可設(shè)成8位也可以設(shè)為12位，且無需外接CLOCK時鐘，轉(zhuǎn)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(tài)由AD574的轉(zhuǎn)換結(jié)束STS的狀態(tài)控制，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換正在進行時，STS輸出為高電平，經(jīng)反相后，變?yōu)榈碗娖剑偷讲蓸?保持器的邏輯控制端，使其處于保持狀態(tài)，開始A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，STS變?yōu)榈碗娖剑聪嗪笞優(yōu)楦唠娖剑共蓸?保持器進入采樣狀態(tài)。

3.2.2 鍵盤顯示接口

鍵盤顯示系統(tǒng)采用8155芯片控制4×4矩陣鍵盤和4個七段數(shù)碼管LED顯示，以實現(xiàn)用戶的輸入和數(shù)據(jù)輸出。鍵盤的16個鍵中0－9為數(shù)字鍵，A－F為功能鍵，完成參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動/手動轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)停止和啟動。

系統(tǒng)中將8155的B口作為顯示接口，經(jīng)74LS48的驅(qū)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(tài)時為輸入方式，在鍵盤中斷服務(wù)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(qū)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(fā)型雙向可控硅AC－SSR來實現(xiàn)。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(fā)脈沖控制，過零檢測電路輸出經(jīng)反相器和8031的T0輸出相“與”后去觸發(fā)AC－SSR（高電平觸發(fā)），若T0在1s內(nèi)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(nèi)總為低電平，則AC－SSR輸出功率為0，在給定周期T內(nèi)，只要改變AC－SSR接通時間就可改變加熱器功率，從而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。

4 軟件設(shè)計

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