電阻爐智能溫度控制的設(shè)計分析

黃爽

摘要：隨著工業(yè)和各行各業(yè)的迅速發(fā)展，對于溫度控制的要求也日益增加，傳統(tǒng)的模擬開關(guān)控制已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需求，本文通過對電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，設(shè)計出一套快速、精度高的智能調(diào)節(jié)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，有效的提高了電阻爐對于溫度控制的要求。

關(guān)鍵詞：電阻率；智能控制；設(shè)計分析

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0027-02

電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或者加熱介質(zhì)升溫發(fā)熱，將電能轉(zhuǎn)化成熱能的過程，從而對爐腔內(nèi)的工件進(jìn)行加熱，廣泛地應(yīng)用于金屬的熱處理、化學(xué)藥品的加熱、鋼鐵廠的煉鋼、食品的加工等領(lǐng)域[1]。電阻爐在加熱的過程中，采用電能的形式進(jìn)行加熱，具有結(jié)構(gòu)簡單，沒有噪聲，也不會對室內(nèi)環(huán)境造成污染等特點(diǎn)，并且可以通過控制電流的大小直接控制爐內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)智能控制[2]。

本文以32位的STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計出一套快速、精度高的智能調(diào)節(jié)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，從而來滿足人工控制的不足，達(dá)到調(diào)節(jié)電阻爐溫度的目的。

1 爐溫控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)實(shí)際環(huán)境，本設(shè)計選用普通的電阻爐為研究對象，其外形是圓柱體，爐腔內(nèi)放置加熱元件，并選擇相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)：電阻爐的額定功率為2KW，額定電壓為220V，額定溫度為1200℃，主要實(shí)現(xiàn)電阻爐內(nèi)的溫度控制，其中，包含有溫度測量、溫度顯示、預(yù)定溫度、調(diào)節(jié)溫度和報警等要求。

本文設(shè)計的智能電阻爐采用STM32單片機(jī)，采用PID算法對電阻爐的溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中STM32單片作為主控模塊，是整個溫控系統(tǒng)的核心電路，對整個電阻爐溫度的智能控制起著決定性作用。其工作電壓為2-3.6V，可以在-40-85℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行正常的工作，這個溫度范圍基本上滿足大多數(shù)工業(yè)的要求，并具有低能耗、高效率等特點(diǎn)，以此得到廣大設(shè)計著的青睞。

溫度電路主要是將測量溫度的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的電路，是控制系統(tǒng)中最重要的組成部分之一[3]。傳感器的測量元件一般選用熱電偶，熱電偶是一種熱電型的溫度傳感器，它能將溫度信號轉(zhuǎn)化成毫伏級的模擬電勢信號，從而實(shí)現(xiàn)溫度的測量和信號的轉(zhuǎn)換。

電阻爐的溫度控制器是通過控制加在電阻爐爐絲兩端的電壓達(dá)到控制爐溫的目的。本文設(shè)計的電阻爐智能溫度控制器，其執(zhí)行元件選用固態(tài)繼電器，該固態(tài)繼電器由固態(tài)電子元器件組成，沒有觸點(diǎn)的電子開關(guān)，僅僅用毫安級的信號就可以控制大功率電路的通電和斷電。由于不存在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作，避免了機(jī)械磨損等缺陷，也不會有噪音等現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣使得其使用壽命較長。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

由于C語言的功能強(qiáng)大，具有靈活多變的表達(dá)方式、高效的目標(biāo)程序代碼、可移植性等特點(diǎn)，并兼顧高級語言和低級語言的特點(diǎn)。因此本文的控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編寫。其中，主程序的設(shè)計是硬件系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，這樣才能實(shí)現(xiàn)電阻爐的溫度控制和調(diào)節(jié)，而電阻爐的溫度調(diào)節(jié)必須依靠控制算法來實(shí)現(xiàn)。

該設(shè)計我們通過對爐內(nèi)溫度控制算法的設(shè)計分析，采用PID算法控制，主要包括模擬PID控制和數(shù)字PID控制。通過我們所選的單片機(jī)型號輸出的PWM信號來控制固態(tài)的繼電器，其PWM的功能主要是通過改變一個周期內(nèi)的交流電的通電時間來實(shí)現(xiàn)電阻爐內(nèi)的溫度控制和調(diào)節(jié)。

2 仿真與調(diào)試

基于單片機(jī)的電阻爐內(nèi)溫度的智能控制系統(tǒng)設(shè)計，通過硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計分析之后，理論上是實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的智能調(diào)節(jié)控制，但我們要考慮人為因素和電器的故障，另外還需要調(diào)試所編寫的主程序、子程序是否能夠正常的運(yùn)行，因此需要對設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試，對出現(xiàn)的問題和不足的地方進(jìn)行修改，這樣才能確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性和安全性。該系統(tǒng)的仿真與調(diào)試分為如下：

2.1 硬件系統(tǒng)的調(diào)試

將硬件電路按照設(shè)計連接，并通過導(dǎo)線連接成系統(tǒng)，由于本設(shè)計選用的單片機(jī)STM32，模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及固態(tài)繼電器都可以通過插線直接可以連接，所以電路連接比較容易，使得硬件調(diào)試也比較簡單。檢測各個電路連接點(diǎn)是否接通，檢測是否有斷路、短路的現(xiàn)象，保證電路連接的良好性，為此，可以使用萬能表對各個部件進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)輸出是否正常。硬件的調(diào)試是保證爐內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)正常工作的前提。通過檢測硬件系統(tǒng)所有連接正常，沒有異常發(fā)生，則完成硬件系統(tǒng)的調(diào)試。

2.2 程序功能的調(diào)試

在調(diào)試程序過程中，通過對比程序的流程圖的框架，根據(jù)框架來檢驗(yàn)編寫的程序是否符合功能的邏輯流程，從而驗(yàn)證主程序的運(yùn)行是否正確，并在任何時候或者任何一個環(huán)節(jié)所起的功能是否有效。其中，子程序功能的調(diào)試工作主要是檢驗(yàn)每個子程序能否實(shí)現(xiàn)各個子程序所設(shè)定的功能。在第一次調(diào)試每一個子程序功能的時候，由于各個子程序的參數(shù)都是不確定的，需要人為的設(shè)定，而我們就必須根據(jù)實(shí)際情況的需要，對未知參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，這樣才能使子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。在驗(yàn)證子程序是否是正確的時候，往往與理論值做比較，如果子程序計算的結(jié)果與理論值一致，就不需要修改，反之就要對子程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改。

3 結(jié)語

通過對各行各業(yè)對電阻爐溫度控制的需求分析，再結(jié)合自動控制理論中比較成熟的理論和相應(yīng)的模塊，從而設(shè)計出一種能夠智能控制電阻爐內(nèi)的溫度系統(tǒng)，簡化了傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的電路設(shè)計，也彌補(bǔ)了溫度控制系統(tǒng)中存在的缺陷，提高了電阻爐的控制精度和使用壽命，對電阻爐的優(yōu)化設(shè)計起到一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡春橋，王永軍，王俊彪，李峰.電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（10）：2380-2386.

[2]伍鐵斌，劉祖潤，王俊年.一種新型電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀表，2006，（06）：43-45.

[3]呂小紅，周鳳星，馬亮.基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008，24（6-2）：119-120.endprint