一 单片机温度控制系统的组成及工作原理
1.在工业生产中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化,超调小或者无超调, 稳定性好, 不振荡, 对系统的快速性要求不高。以下浅析了单片机电阻炉控温系统设计过程及实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大为0～5 V 后送模/ 数转换器转换为数字量送单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由IC 温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送单板机。标度变换程度根据温检测值求得实际炉温 θ。数字调节器程序根据恒温给定值θ0 与θ的偏差Δθ, 按积分分离的PID 控制算法得到输出控制量ui 。数字触发器程序根据uc 控制电阻炉子的导通时间, 调节炉温的变化使之与给定恒温值一致。导通时间长, 输出功率大, 温度升高快; 导通时间短, 输出功率小, 温度升高变慢。显示与恒温判断程序完成炉温θ与恒温时间显示、恒温开始与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路, 若开路, 则给出断偶报警信号。
2.温度检测的设计采用热电偶传感器。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50～ + 1600 ℃) 及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放大倍数的电路将它放大到A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。一般采用热电偶调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷, 而自行设计、制作仪表放大器则较为繁琐且较难保证精度。图2 冷端温度检测与放大电路使用热电偶传感器应注意采取冷端补偿。即当热电偶冷端温度不为0 ℃时, 热电偶的输出电势将
偏离冷端温度为0 ℃时的数值, 为了提高测温精度, 需要采取冷端补偿措施。冷端温度检测电路如图2 所示。冷端补偿可以采用软件补偿方法, 用IC 温度传感器检测热电偶
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本文以它为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。 温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。
电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。 进行系统设计时应考虑如下问题：
炉温变化规律的控制，即炉温按预定的温度——时间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围：如400~1000℃，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择等。控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。 二 硬件电路设计
1.温度检测元件及变送器、ADC的选择
温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围及精度要求。对于0~1000℃的测量范围，采用热电偶，如镍铬热电偶，分度号为EU，其输出信号为0~41.32mV，经毫伏变送器，输出0~10mA，然后再经过电流——电压变换电路转换为0~5V电压信号。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为400~1000℃，热电偶给出16.4~41.32mV时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到±2.34℃。 2.接口芯片的扩展
由于本系统既要显示、报警、键盘输入，又要进行控制，所以系统在8031系统中扩展了一片8155，它有三个8位I/O口，256字节的RAM，可以作为外部数据存储器供系统使用，8031的P2.1接8155的CE，P2.0接8155的IO/M，当P2.1＝0，P2.0＝1时，选中8155片内的三个I/O端口，其口地址如下：
0100H〖〗命令状态寄存器0101H〖〗A口0102H〖〗B口0103H〖〗C口或控制口寄存器0104H〖〗计数值低八位0105H〖〗计数值高八位和方式寄存器当P2.2＝0时，选中ADC0809（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果）。转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断INT1（P3.3），当P3.3＝0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入，把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元，对其写数据时，8031的WR信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低三位存入0809，并启动ADC0809，D 9EOC为低电平时，A/D转换正在进行，当EOC为高电平时，表示转换结束，8031可以读如转换好的数据。 3.温度控制电路
温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在50Hz交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时
间的脉冲信号即可。这可以用一条I/O线，通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻导通。
电压比较器LM311将50HZ正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P3.4和P3.5输入端。 三 控制规律的选择和程序设计
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。计算机PID是用差分方程近似实现的。PID调节规律的微分方程（略）。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。 自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各
行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。
单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。
用温度传感器将被测温度转换为电量，经过放大滤波电路处理后，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。最后通过小键盘控制数码管显示所需要的某路温度值。
1.被测量经过温度传感器转换为电量，再放大后送给A/D转换器。 2.电量经过A/D转换为二进制数值，送给8031单片机，8031单片