基于单片机的温度控制系统设计

蔡新梅

摘 要：在现代化生产过程中，温度的控制越来越重要和严格。文章应用单片机对温度进行控制，具有控制方便、简单和灵活性大等优点，可大幅度提高被控温度的技术指标。

关键词：温度控制；MCS-51；热电偶

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是4种最常见的过程变量。其中，温度是非常重要的过程变量。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机对其进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可大幅度提高被测温度的技术指标，从而能大大提高产品质量和数量。本单片机温度控制系统的具体指标要求是，对加热器加热温度调整范围为600～1000℃，温度控制精度小于3℃，系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话，考虑到本系统控制对象为电炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。

1 设计思想及功能

为满足系统对温度的控制要求，本设计包括硬件电路设计和软件设计2部分。硬件电路设计主要包括：控制电路、数据采集、数据处理、模/数（A/D）转换；外部硬件包括接口、键盘和显示器3部分。软件部分主要运用MCS-51系列单片集中的8051单片机为主控制器，通过软件设计实现人机对话功能及温度控制。主程序是本系统的监控程序，用户可通过监控程序监控系统工作。

2 硬件设计

2.1 温度检测部分

本设计中，温度检测部位采用热电偶。热电偶式传感器适于测量温度较高的场所，在工业领域中，热电偶是最常用的温度检测元件之一。

①热电偶的种类及结构形式。A.热电偶的种类。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶2大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。B.热电偶的结构形式。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对其结构要求有：a.组成热电偶的2个热电极的焊接必须牢固；b.2个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；c.补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；d.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

②热电偶冷端的温度补偿。由于热电偶的材料一般都较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。热电偶补偿导线只起延伸热电极作用，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式2大类。通常来说，接触式测温仪表简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要充分的热交金刚，需一定时间才能达到热平衡，所以存在测温延迟现象。同时受耐高温材料限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温通过热辐射原理测量温度，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限限制，也不会破坏被测物体温度场，反应速度一般较快；但受物体发射率、测量距离、烟尘和水气等因素影响，测量误差较大。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

③热电阻测温原理及材料。热电阻测温基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性测量温度。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

④热电阻的结构。A.精通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化直接通过热电阻阻值的变化来测量，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。B.铠装热电阻。铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体。其外径一般为φ2～φ8mm，最小可达φmm。C.端面热电阻。端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。D.隔爆型热电阻。隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引发爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla～B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

⑤热电阻测温系统的组成。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意：A.热电阻和显示仪表的分度号必须一致；B.为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

2.2 变换器

本文根据设计任务书的温度要求，选用了HD2011T型变送器模块。

①功能介绍。测量范围：5%～98%RH；温度测量范围：-50～200℃；温度精度：±0.25℃；输出：4～20mA，0～20mA，0～10V；

防护等级：IP67；负载：电流小于500欧，电压大于10000欧；供电：24VAC；工作温度：传感器-4～+150℃，变送器：-5～+50℃。

②特点。采用全密封防水结构，对传感器采用烧结头防尘处理、保证其在粉尘环境可靠工作；工作温度范围广，量程宽、响应时间短；有探头分体安装形式，可分离2m引线。

③工作原理。利用环境温度、湿度变化引起材料电特性变化的原理进行温、湿度测量。整機采用进口热敏器件，温敏芯片进行信号处理，并将其整理为标准信号输出。测量范围：T：0～50℃；输出信号：T：0～5VDC，4～20mA；测量精度：T：±0.5℃；工作温度：-10～60℃；负载能力：电压型输出负载≥3K；电流型输出负载≤500Ω/24VDC；电源需求：电压供电电压：12～24VDC。

2.3 ADC0809模块转换原理

①ADC0809模块内部结构。ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片有单个+5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换，典型的A/D转换时间为100微秒左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位。

②引脚功能说明。D7～D0：8位数字量输出，A/D转换结果；IN0～IN7：8路模拟电量输入，可以是：0～5V或-5V～+5V；+VREF：正极性参考电源；-VREF：负极性参考电源；START：启动A/D转换控制输入，高电平有效；CLK：外部输入的工作时钟，典型频率为500KHz；ALE：地址锁存控制输入，高电平开启接受3位地址码，低电平锁存地址；CBA：3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0～IN7之一进行模数。C是高位地址，A是最低位地址；OE：数字量输出使能控制，输入高有效，输出A/D转换结果D7～D0；EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完成时，EOC输出低电平；当模数转换完成时，EOC输出高电平；EOC输出信号可作为中断请求或查询控制；Vcc：芯片工作电源+5V；GND：芯片接地端。

③ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；转换期间ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则表明正进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制3条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据；OE=0，输出数据呈高阻状态。D7～D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号须由外界提供，通常使用频率为500KHz。

2.4 过零触发电路

过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的间脉冲。可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，更为详细的电路原理图如图1所示。图中，电压比较器LM311将50Hz正弦交流电压变为方波。方波的正边沿和负边沿分别作为2个单稳态触发器的输入触发信号，单稳态触发器输出的2个窄脉冲经二极管或门混合后即可得到对应于交流220V市电的过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的出发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面还作为计数脉冲加到单片机的P2.3/TCLK端。

单片机对温度的控制通过可控硅调功电路实现，双向可控硅和加热丝串接在交流220V，50Hz交流是电回路。在给定周期T内，单片机只要改变可控硅的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅门极上触发脉冲控制。该触发脉冲由单片机用软件在P1.3引脚上产生，经过零同步脉冲同步后再经光耦和驱动器输出送到可控硅的门极上。

2.4 外部硬件设备

外部硬件电路主要包括键盘和显示电路，在单片机应用系统中，键盘和显示器往往须同时使用，为节省I/O口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。

整个系统也可划分为控制电路单片机单片机部分、加热电路温度检测元件部分和测量电路3部分。

3 温度控制系统的软件设计

在软件设计中，首先利用MCS-51语言设定初始化子程序，以便系统识别输入、输出端口及输出格式等，然后进行当前温度信息的检测，并通过调用通讯子程序把结果传递给远程单片机，然后进行读键，如果开始键按下，就要调用参数设置子程序，如果数据合格就进行监控操作，数据不合格就驱动加热器动作，控制温度的变换，如果开始键没按下就继续监控操作。主要包括主程序、中断服务程序和主要服务子程序3大部分。主程序是本系统的监控程序，用户可通过监控程序监控系统工作。在程序运行中，必须首先对系统初始化，为简化起见本程序只给出有关标志。大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、8051本身的初始化、并行接口8155初始化、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描等程序。T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的触发脉冲等。同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8051利用等待T1溢出中断的空闲时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。8051从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。主要服务子程序包括温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换。子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成BCD码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区中，供显示子程序调用。

4 结论

本设计采用的单片机是作为现代工业中最常用的集成芯片，具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、易于推廣应用等显著优点，通过软件逻辑控制实现对温度的控制和调节。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例。本设计中应用了许多单片机芯片和单片机常用的外部设备。单片机芯片如：ADC196，ADC0809，2732等。单片机外部设备如：温度检测元件热电偶，地址锁存器74LS373，电流/电压变送器，键盘和显示系统中的LCD显示器等。采用单片机控制可以提高温度的控制水平，减少引进设备的投资，为国家和企业贡献力量。

[参考文献]

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[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2011.

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