基于单片机的电加热炉温度控制系统设计
王丽华1郑树展2
（1、天津职业大学，天津300402；2、天津航空机电有限公司，天津300123）
摘要：温度控制是工业对象中主要的控制参数之一，其控制系统本身的动态特性属于一阶纯滞后环节。

以8051单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。

该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。

关键词：电加热炉控温固态继电器飞升曲线
0引言
传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。

这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。

采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。

为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。

1电加热炉温度控制系统的硬件设计
电加热炉温度控制系统的硬件由图1所示各部件组成，它以8051单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。

电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器7650放大到0～5V，再经过有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。

此数字量经数字滤波、标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制，通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器来控制电加热炉炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度及升温速度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。

1.1 热电偶的选取
热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。

目前多选K型或S 型（镍铬-镍硅）热电偶。

两者相比，K型有较好的温度—热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用；S型有高的精度，但温度—热电势的线性度较差。

A/D转换器
图1中A/D转换芯片采用ADC0809，其转换精度是1/256。

若电加热炉工作温度是256℃，这样在（0～256）℃范围A/D的转换精度为256℃/256＝1℃/bit，即一个数字量表示1℃，这显然不能满足控制精度为±0.5℃要求。

为了提高控制精度，可以选用更高位的A/D转换器，如10位、12位、16位A/D转换器，其控值精度均能满足要求。

然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如
炉温升到90℃后要求温度维持90℃基本不变，那就可以将测温范围缩小为（0～128）℃、（128～256）℃，从而使理论设计控温精度达到±0.5℃。

1.3 低漂移毫伏放大器
）
图2 低漂移毫伏放大器电路
A1采用性能优良的斩波稳零运算放大器ICL7650，斩波电容C1和C2选用绝缘电阻高的聚脂薄膜电容器，由调零放大器在斩波振荡器和时钟电路控制下轮流为本身的主放大器调零。

D1和D2选用低漏流型的硅开关二极管，起保护ICL7650的作用。

A1输出信号经二阶有源低通滤波器滤波，使信噪比S/N 提高，此有源滤低通滤波器的截止频率约1.5Hz 。

A2的增益为1，A2可选用μA741，A2的输出经A/D 转换器转换成数字信号后读入单片机，然后由软件转换成相应的温度显示值。

1.4 固态继电器控温电路
单片机通过PWM 脉冲调宽功率放大器控制SSR 固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。

调功的原理为：设电网连续N 个完整的正弦波为一个控制周期T ，则
式中f ——电网频率，Hz
若在设定的周期T 内控制主回路导通n （n ≤N ）个完整的正弦波，则负载功率为
式中U ——电网电压有效值
R ——负载的有效电阻
因此，只要控制在设定的周器T 内主回路导通的周波数n 的个数，就可调节负载的功率P 。

用Z 型交流固态继电器SSR ，实现零触发交流调功。

SSR 内设光电隔离电路，可减少与电网的相互干扰，这是一种较先进的控制方法。

8051单片机通过内部定时器来组织，经开关量通道输出随时间值变化的PWM 波，并经脉冲调宽功率放大器控制每个调功周期固态继电器导通的电压正弦周波数，从而控制电加热炉的温度。

飞升曲线法实测电加热炉参数
电加热炉是一阶惯性加纯滞后环节，传递函数为： G （s ）=Ke
-τs
/(1+Ts)
式中：K — 放大系数； T — 对象时间常数；
τ — 对象滞后时间
f
N
T =
RN
n
U P 2=
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。

见图5所示。

子程序主要有：采样子程序、数字滤波子程序、控制算法子程序、数制转换子程序、显示子程序等。

3 抗干扰措施
（1）为了保证电路性能，电阻全部选用精密电阻，电容选用高阻抗优质电容，并进行筛选配套。

印制电路板的绝缘质量要好，布线安排要合理。

（2）采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术。

以金属材料例如铁制作的封闭金属盒具有电磁屏蔽功能，可使屏蔽盒内的电路免受电场、磁场的干扰。

固态继电器内设光电隔离电路，
可以防止强电与弱电共地对单片机的干扰。

将数字地、模拟地分开，最后在电源板一点共地，可有效防止A/D输入对单片机产生的共模干扰。

（3）电桥电源采用专用桥头电源变压器，整流后用大电容滤波，使桥路有一个很稳定的电压。

（4）微机系统应用中供电系统干扰是很重要的。

在交流电源进入处采用隔离变压器，并采用了电源滤波技术。

（5）采用软件滤波法。

4 结束语
本系统以8051单片机为核心，采用零点迁移和固态继电器控温电路，使得硬件成本降低，性能价格比提高。

此系统操作简便、抗干扰能力强、运行可靠，适合中、低温电加热炉的温度控制。

参考文献：
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[4] 赵述芳，冯广斌，张珊珊.基于单片机控制的PWM功率放大器的设计[J].机械工程学院
学报，2004，16(5):35-38.
[责任编辑：蒋敦斌] Design of Temperature Control System of an Electric Heating Furnace Based on Single-Chip Microcomputer
WANG Li-hua1ZHENG Shu-zhan2
(1.Tianjin Professional College, Tianjin 300402 china;
2.Tianjin Aviation Electro Mechanical CO.LTD 300123 China)
Abstract: Temperature control is a major controlling parameter of industrial object, the dynamic characteristics of controlling system itself belongs to first-order pure delay component. Automatic temperature control of the electric furnace is realized by a temperature conversion bridge circuit and a temperature control circuit of solid state relay on the basis of 8051 single-chip microcomputer. This control system has such advantage as low cost, high control accuracy, good
reliability and good resistance to interference.
Key words: electric heating furnace temperature control solid state relay gliding curve
作者简介：王丽华（1978－），女，河北乐亭人，天津职业大学机电学院，助教。

郑树展（1977－），男，河北河间人，天津航空机电有限公司科研所，工程师。