单片机多通道精密温控仪 - 1995年第1期

电加热在各行各业获得了广泛应用。传统的温控，通常是采用动圈指针式仪表或桥式自平衡仪表，控制接触器断续通电来实现的。这种方式，通常只控制一个温度点，控温精度一般在±5℃左右。

单片机多通道精密温度控制仪充分发挥单片机功能强，成本低，体积小，性能可靠的优势，使之达到高精度和一定的智能化水平。

一、系统方案

1．系统设计指标

．温度控制范围0～600℃

．温度显示精度±0.1℃

．温度控制精度±1℃

．控制能力：8通道电加热

．控制方式：恒温、自然升温，可变斜率线性升、降温。

2．系统结构（参见图1）

测温仪以MCS－5l系列的8031单片机为核心，扩展8K字节片外ROM2764和2K字节片外RAM6116构成应用系统。8路铂热电阻传感器，8路模拟开关4051，以及两级高精度运放OP07共同构成了信号转换电路，双积分型AD芯片7135作模数转换。测温仪使用16位键盘和6位LED数码显示器实现人机对话，采用8279专用可编程键盘显示器接口芯片。8路双向晶闸管（SCR）调功器作为控制执行元件。同步电路用以保护SCR过零触发。

3．系统工作原理：

由系统控制环路（图2）可以看出，系统工作在闭环状态，炉温θ经信号转换电路获得模拟电压，再经过A／D转换，软件滤波，去误差环节，得到与θ相应的数字信号，经过查表，运算得到相应的温度值。

温度数值一方面送显示器，另一方面与设定温度值比较，并将误差e送PID（PID是一种“比例／积分／微分”控制算法，常用在控制系统中）运算器，经运算后得到调整量N。此调整量控制SCR调功器在一个控制周期内导通的半波数，即控制了输出功率。电热器产生的热量按输出功率的大小变化，以达到控温的目的。

单片机内部定时器产生时钟信号，由软件引导对8个通道进行分时控制，可使8个通道在不同的工况下同时工作。

二、电路特点

1．信号转换电路（参见图3）

两级运算放大器均接成反相比例放大器。温度传感器铂热电阻Rt作为IC1的反馈电阻。其输出电压V01=（-Rt／R1）V\(_{REF}\)，与热电阻的阻值成线性关系。

IC2对V01进行倒相放大。改变R2、R3的比值，可使V0符合A／D转换所需要的输入值范围。调整电位器RP，可对测温零点进行校正。

电路采用高精度运放OP07以及温度系数很小的电阻，使电路具有小的漂移和高的稳定性。

程序软件通过8031控制模拟开关4051进行切换，对各通道的温度信号轮流进行采集。

2．A／D转换器

系统中选用双积分型的AD芯片7135。双积分型AD的优点是转换精度高，抗周期性干扰能力强。缺点则是转换速度较慢，然而由于温度系统是一阶大惯性系统，其时间常数很大，温度信号变化缓慢，故双积分型的AD仍能满足要求。

7135的输出为4＋（1/2）位BCD码，相当于14位二进制数，其分辨率为温度全量程的0.005％，为整个系统的高精密度提供了必要的条件。价格比同精度的其它类型AD芯片低廉，有利于降低系统成本。

3．键盘显示器及其接口8279

系统选用16位键盘和6位显示器。系统选用可编程键盘显示器专用接口芯片8279，它可以自动地对键盘显示器进行扫描，识别输入信息，消除键抖动，实现多键输入保护，实现显示器动态显示。更改显示时，只需一次性送入显示信息，而键输入则采用中断方式，这样就节约了CPU的工作时间，提高了系统的工作响应速度，也使编程较简单。

4．晶闸管（SCR）调功输出电路

早期的晶闸管控制电路中常采用移相的方法，改变晶闸管的导通角，使其导通时间变化来改变输出加热功率的大小。在这种增况下，晶闸管输出的电流、电压波形不是正弦波，其中含有丰富的高次谐波成分，高次谐波对电网造成了污染。

本系统则采用了调功的方式，所谓调动，就是采用过零触发技术，使晶闸管在一个控制周期内，输出一串完整的正弦波，通过改变控制周期内输出正弦波的个数，改变了晶闸管控制周期内的导通时间，实现了对功率的控制。该方式对惯性大的系统尤为适用。

本系统采用的控制周期为16秒，晶闸管的触发周期为10ms，因此，输出功率分为1600级可调，使得系统的控制精度可达到较高的水平。

为避免主电路对控制电路的干扰，在单片机与晶闸管之间加入了光耦合器，使强弱电系统得以隔离。

5．同步触发电路（参见图4）