蔡新梅

摘 要：在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，溫度的控制越來越重要和嚴(yán)格。文章應(yīng)用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制，具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：溫度控制；MCS-51；熱電偶

隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是4種最常見的過程變量。其中，溫度是非常重要的過程變量。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機(jī)對其進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量。本單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是，對加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為600～1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%。軟件設(shè)計(jì)須能進(jìn)行人機(jī)對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個(gè)大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時(shí)間不予要求。

1 設(shè)計(jì)思想及功能

為滿足系統(tǒng)對溫度的控制要求，本設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：控制電路、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；外部硬件包括接口、鍵盤和顯示器3部分。軟件部分主要運(yùn)用MCS-51系列單片集中的8051單片機(jī)為主控制器，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能及溫度控制。主程序是本系統(tǒng)的監(jiān)控程序，用戶可通過監(jiān)控程序監(jiān)控系統(tǒng)工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測部分

本設(shè)計(jì)中，溫度檢測部位采用熱電偶。熱電偶式傳感器適于測量溫度較高的場所，在工業(yè)領(lǐng)域中，熱電偶是最常用的溫度檢測元件之一。

①熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形式。A.熱電偶的種類。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶2大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。B.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對其結(jié)構(gòu)要求有：a.組成熱電偶的2個(gè)熱電極的焊接必須牢固；b.2個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；c.補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；d.保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

②熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償。由于熱電偶的材料一般都較貴重，而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端延伸到溫度較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線只起延伸熱電極作用，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式2大類。通常來說，接觸式測溫儀表簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要充分的熱交金剛，需一定時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫延遲現(xiàn)象。同時(shí)受耐高溫材料限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫通過熱輻射原理測量溫度，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限限制，也不會(huì)破壞被測物體溫度場，反應(yīng)速度一般較快；但受物體發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等因素影響，測量誤差較大。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度最高，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

③熱電阻測溫原理及材料。熱電阻測溫基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性測量溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

④熱電阻的結(jié)構(gòu)。A.精通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化直接通過熱電阻阻值的變化來測量，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。B.鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體。其外徑一般為φ2～φ8mm，最小可達(dá)φmm。C.端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。D.隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會(huì)引發(fā)爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla～B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場所的溫度測量。

⑤熱電阻測溫系統(tǒng)的組成。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意：A.熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致；B.為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。

2.2 變換器

本文根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的溫度要求，選用了HD2011T型變送器模塊。

①功能介紹。測量范圍：5%～98%RH；溫度測量范圍：-50～200℃；溫度精度：±0.25℃；輸出：4～20mA，0～20mA，0～10V；

防護(hù)等級：IP67；負(fù)載：電流小于500歐，電壓大于10000歐；供電：24VAC；工作溫度：傳感器-4～+150℃，變送器：-5～+50℃。

②特點(diǎn)。采用全密封防水結(jié)構(gòu)，對傳感器采用燒結(jié)頭防塵處理、保證其在粉塵環(huán)境可靠工作；工作溫度范圍廣，量程寬、響應(yīng)時(shí)間短；有探頭分體安裝形式，可分離2m引線。

③工作原理。利用環(huán)境溫度、濕度變化引起材料電特性變化的原理進(jìn)行溫、濕度測量。整機(jī)采用進(jìn)口熱敏器件，溫敏芯片進(jìn)行信號(hào)處理，并將其整理為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。測量范圍：T：0～50℃；輸出信號(hào)：T：0～5VDC，4～20mA；測量精度：T：±0.5℃；工作溫度：-10～60℃；負(fù)載能力：電壓型輸出負(fù)載≥3K；電流型輸出負(fù)載≤500Ω/24VDC；電源需求：電壓供電電壓：12～24VDC。

2.3 ADC0809模塊轉(zhuǎn)換原理

①ADC0809模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進(jìn)型，芯片有單個(gè)+5V電源供電，可以分時(shí)對8路輸入模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，典型的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100微秒左右。在同類型產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)位都屬于居中位。

②引腳功能說明。D7～D0：8位數(shù)字量輸出，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；IN0～I(xiàn)N7：8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或-5V～+5V；+VREF：正極性參考電源；-VREF：負(fù)極性參考電源；START：啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效；CLK：外部輸入的工作時(shí)鐘，典型頻率為500KHz；ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接受3位地址碼，低電平鎖存地址；CBA：3位地址輸入，其8個(gè)地址值分別選中8路輸入模擬量IN0～I(xiàn)N7之一進(jìn)行模數(shù)。C是高位地址，A是最低位地址；OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D7～D0；EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時(shí)，EOC輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，EOC輸出高電平；EOC輸出信號(hào)可作為中斷請求或查詢控制；Vcc：芯片工作電源+5V；GND：芯片接地端。

③ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換期間ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則表明正進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制3條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=0，輸出數(shù)據(jù)呈高阻狀態(tài)。D7～D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)須由外界提供，通常使用頻率為500KHz。

2.4 過零觸發(fā)電路

過零同步脈沖是一種50Hz交流電壓過零時(shí)刻的間脈沖?？墒箍煽毓柙诮涣麟妷赫也ㄟ^零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產(chǎn)生，更為詳細(xì)的電路原理圖如圖1所示。圖中，電壓比較器LM311將50Hz正弦交流電壓變?yōu)榉讲ā７讲ǖ恼呇睾拓?fù)邊沿分別作為2個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的2個(gè)窄脈沖經(jīng)二極管或門混合后即可得到對應(yīng)于交流220V市電的過零同步脈沖。此脈沖一方面作為可控硅的出發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計(jì)數(shù)脈沖加到單片機(jī)的P2.3/TCLK端。

單片機(jī)對溫度的控制通過可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)，雙向可控硅和加熱絲串接在交流220V，50Hz交流是電回路。在給定周期T內(nèi)，單片機(jī)只要改變可控硅的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓柙诮o定周期T的100%時(shí)間內(nèi)接通時(shí)的功率最大?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過可控硅門極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由單片機(jī)用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，經(jīng)過零同步脈沖同步后再經(jīng)光耦和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的門極上。

2.4 外部硬件設(shè)備

外部硬件電路主要包括鍵盤和顯示電路，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤和顯示器往往須同時(shí)使用，為節(jié)省I/O口線，可將鍵盤和顯示電路做在一起，構(gòu)成實(shí)用的鍵盤、顯示電路。

整個(gè)系統(tǒng)也可劃分為控制電路單片機(jī)單片機(jī)部分、加熱電路溫度檢測元件部分和測量電路3部分。

3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，首先利用MCS-51語言設(shè)定初始化子程序，以便系統(tǒng)識(shí)別輸入、輸出端口及輸出格式等，然后進(jìn)行當(dāng)前溫度信息的檢測，并通過調(diào)用通訊子程序把結(jié)果傳遞給遠(yuǎn)程單片機(jī)，然后進(jìn)行讀鍵，如果開始鍵按下，就要調(diào)用參數(shù)設(shè)置子程序，如果數(shù)據(jù)合格就進(jìn)行監(jiān)控操作，數(shù)據(jù)不合格就驅(qū)動(dòng)加熱器動(dòng)作，控制溫度的變換，如果開始鍵沒按下就繼續(xù)監(jiān)控操作。主要包括主程序、中斷服務(wù)程序和主要服務(wù)子程序3大部分。主程序是本系統(tǒng)的監(jiān)控程序，用戶可通過監(jiān)控程序監(jiān)控系統(tǒng)工作。在程序運(yùn)行中，必須首先對系統(tǒng)初始化，為簡化起見本程序只給出有關(guān)標(biāo)志。大體說來，本程序包括設(shè)置有關(guān)標(biāo)志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、8051本身的初始化、并行接口8155初始化、T0初始化、CPU開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、PID計(jì)算和輸出可控硅的觸發(fā)脈沖等。同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制，8051利用等待T1溢出中斷的空閑時(shí)間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8051從T1中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場和返回主程序。主要服務(wù)子程序包括溫度檢測采樣及數(shù)字濾波子程序、帶符號(hào)雙字節(jié)乘法子程序和標(biāo)度轉(zhuǎn)換。子程序目的是把實(shí)際采樣取得的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成BCD碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)中，供顯示子程序調(diào)用。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是作為現(xiàn)代工業(yè)中最常用的集成芯片，具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，通過軟件邏輯控制實(shí)現(xiàn)對溫度的控制和調(diào)節(jié)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了許多單片機(jī)芯片和單片機(jī)常用的外部設(shè)備。單片機(jī)芯片如：ADC196，ADC0809，2732等。單片機(jī)外部設(shè)備如：溫度檢測元件熱電偶，地址鎖存器74LS373，電流/電壓變送器，鍵盤和顯示系統(tǒng)中的LCD顯示器等。采用單片機(jī)控制可以提高溫度的控制水平，減少引進(jìn)設(shè)備的投資，為國家和企業(yè)貢獻(xiàn)力量。

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