1前言
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、产业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既进步了产品的功能和质量，又降低了本钱，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。
东风汽车公司变速箱厂热工科无罐炉，主要用于变速箱齿轮、轴类零件的渗碳热处理工序。原来用XWB型自动平衡记录仪控制温度，二位式控温方式，使得具有大惯量性的无罐炉温度波动大，误差达±10℃左右。并且仪表使用环境教恶劣，油烟、灰尘常使仪表的机械传动部分卡死，不但维修工作量大，而且产品质量不易保证。随着国民经济的发展，汽车产业不断壮大，产品市场竞争激烈，优越劣汰。由此，我们经过认真的调研和设计，寻求了一种更好的控温方法，亦即本文介绍的WDY-1温控仪取代XWB型自动平衡记录仪。
2WDY-1温度仪介绍
该仪器采用美国Intel公司八位单片机作为控制核心，配以其他进口集成电路，加上精心对软件设计，实现了仪表智能化。可与热电偶、热电阻等传感器配合使用，对0～1600℃范围内的各种电加热炉的温度进行精密丈量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，正确度高，显示清楚，稳定可靠，使用方便。
WDY-1温控仪原理框图如图1所示。整个仪表的工作原理是：由8031单片机控制，按预先编制的程序定时对热电偶信号（即被测信号）进行采样，并自动进行零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行PID参数自整定和运算，并输出0～10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。
图1WDY-1温控仪原理框图
3WDY-1温控仪的丈量及控制作用
该温控仪属智能化仪表，丈量精度0.2级，显示分辨率1℃，控制精度0.5级，控制方式为PID算法，设定方式为直接温度值设定，同时具有超温及断偶报警，因而内部的电路比较多，下面就该丈量仪中主要电路及各个环节的作用予以介绍。
1）热电偶
型号WRN，分度号K，测温范围0～1300℃，可以长时间工作在0～1000℃，短时间工作到1300℃，是一种丈量温度信号的传感器，其正极是镍锘合金，负极是镍硅合金。使用时直接按要求放进无罐炉，镍锘-镍硅作为一种标准热电偶，在测取热电势时，其冷端温度T0=0℃（实际应用中要通过补偿实现），根据测得的热电势通过查表，可以直接读出热端温度值。可见，热电偶在炉中的位置并不是任意的，其热端所处的位置必须正确反映炉温。另外，热电偶性能的好坏直接影响热处理工件的质量，因此，必须定期对热电偶进行检查、更换。
2）预处理电路
其作用包括：对热电偶信号的冷端补偿;断偶报警保护;三极滤波。电路组成见图2，图中冷端补偿电路主要为一直流电桥，Rt为铜电阻，是一标准热电阻，当温度变化时，Rt的阻值将发生变化，因此把Rt放置在热电偶的冷端，让其感受冷端温度的变化。当温度=0℃时，桥压输出U0=0V，假如温度升高，则Rt变大，使桥压输出大于零，由此桥压的输出值即热电偶冷端温度所对应的热电势。断偶报警通过8031输出控制四位LED显示器同时闪烁显示“E”或蜂叫器报警（电路未画）。
图2预处理电路
3）放大及切换电路
由4066B四双向开关和两级运算放大器组成。首先，在8031的控制下，模拟地信号经两级放大后进进A/D转换，在8031内完成模拟地和数字地的转换。然后，参考电压输进放大，送到A/D转换器，为测热电偶信号做好预备，最后热电偶信号输进放大，送A/D转换。可见，该电路的作用是：把热电偶拾取的信号放大，以及把模拟地在单片机的控制下转换为数字地。
4）模数转换电路
由4066B四双向开关和LM358低功耗双运算放大器组成。转换原理是双积分式转换，整个过程分为三个阶段，（1）停止期：消除积分器上的零偏电压。（2）积分期：将放大后的模拟电压信号在时间T1（T1为定值）内积分;（3）反积分期：对标准电压反向积分，这样就将输进的模拟电压转换成与其均匀值成正比的时间间隔，最后利用时钟脉冲和计数器将此时间间隔转化成数字信号[1]。
5）拨盘定值电路
用来设定工艺温度。由3位拨盘和专用I/O扩展芯片8243组成，3位覆盖了实际的温度使用范围，通过拨盘直接设定温度值，利用拨盘内部触点的开合，分别把个、十、百、千位上预置的温度送进8243芯片，然后根据单片机指令，把设定值送进8031内存。
6）显示电路
由74LS247七段译码器、74LS139双二四线译码器、74LS05六倒向器各一片和四位LED显示器组成。8031单片机把要显示的热电偶温度信号通过P1.0～P1.3口送到74LS247，经译码后送七段数码显示器，然后再由8031的P1.4～P1.5口输出位选通讯号，选通要显示的位。四位显示器从个位到千位依次轮番点亮，每位显示时间1ms，显示实际丈量的温度以及断偶报警。
7）数模转换电路
将PID运算的数字量转换成相应的模拟量，经放大和V/I转换后得到0～10mA的电流连续信号作为输出控制。
8）RS-232通讯接口
如图3所示，将单片机作为前端机进行数据采集或预处理，经电平转换电路获得与TTL电平兼容的信号电压，最后通过RS-232通讯接口电路将采集的数据储存到系统机内[2]，以便今后查询或备份。
图3通讯接口
4控制规律的选择与分析
1）被测对象的特征
本文热处理炉的温度要求在任何时间都保持定值（或在规定的误差范围以内），但由于外界影响，例如，材料的加进、电源电压的波动等，会使炉温有一定程度的变化。
2）控制规律的选择
根据被测对象的特征，必须选择一种控制规律，使炉温有变化趋势时而被限制，本系统采用自整定PID调节。当WDY-1温控仪刚进进工作状态时，有一个飞升机会，仪器将输出100%，使炉子温度按较陡斜率上升到给定值的80%左右（满足快速性要求），然后根据炉子的温度变化率、温度偏差以及纯滞后的特点，直接按事先放置在内存中的经验表格，查出对应的PID参数，从而实现控制参数的自动整定过程，按PID运算并输出，实现炉子温度的自动控制（满足无静差要求）。同时，该整定过程还省往了仪器初始整定的麻烦，使用方便。
5结束语
该温控仪从设计到应用，一直从实际出发，比如技术指标、使用环境的要求等。实践证实，WDY-1温控仪控制精度比较高，而且节省人力，并设有超温顺断偶报警，有题目立即就能发现。另外，该仪器与适当的执行器配合可与被测对象组成PID炉温自动调节系统[3]，通过自动调节，输进电炉的电压几乎可以无惯性地作相应的改变，使炉温控制在设定值上。
6参考文献
[1]戴明桢、周建江编，微型计算机接口技术[M]，北京：航空产业出版社，1993
[2]孙育才编，单片微型计算机及其应用[M]，江苏：东南大学出版社，1987
[3]李均宜编，炉温仪表与热控制[M]，北京：机械产业出版社，1981