基于冶金技術(shù)的加熱單片機控溫系統(tǒng)設(shè)計

黃小琴

（廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

單片機是一種典型的嵌入式微控制器，相當(dāng)于一個微型的計算機[1]。由四部分構(gòu)成：運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備。從上世紀(jì)的八十年代起，隨著單片機技術(shù)的成熟，它逐漸滲透至工業(yè)探測、開采、生產(chǎn)、處理環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代化冶金生產(chǎn)提純過程中，通常使用現(xiàn)代化技術(shù)，使用計算機技術(shù)與自動化儀器相結(jié)合的方法，通過設(shè)定控制工業(yè)活動參數(shù)對工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集、運算、顯示和控制。

利用電渣加熱方法對鋼渣進行加熱和精煉是冶金工業(yè)的一大發(fā)展?，F(xiàn)有的液態(tài)電渣冶金技術(shù)的最基本的特征是采用導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)，通過使用非自耗電極實現(xiàn)對熔渣的加熱。通過對熔液溫度的控制，保證熔渣中間包中溫度，使液態(tài)金屬具有和電渣重熔過程相似的溫度分布特征，進而可以得到電渣重熔相似的凝固組織[2]。其中間技術(shù)要點包括：金屬燒熔中間包液態(tài)金屬加熱與保溫、控制液態(tài)金屬澆注流量、保護澆注金屬純度、精準(zhǔn)液面控制。使用該方法需要有效加熱的同時還需要精準(zhǔn)控制溫度，使用加熱單片機控溫系統(tǒng)可以實現(xiàn)上述要求，以下就是基于冶金技術(shù)的加熱單片機控溫系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

首先系統(tǒng)要通過外接鍵盤，對溫度參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置保溫和加熱臨界值?？販剡^程是利用溫度傳感器采集溫度信息，將采集的溫度信號調(diào)理后送入單片機進行計算比較。然后通過單片機輸出信號來調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)時間進而控制加熱時間。同時系統(tǒng)要把采集的溫度參數(shù)送到顯示器上進行實時顯示，以便工作人員觀測。當(dāng)所采集到的溫度信息值超過設(shè)定的臨界點時，系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，做出警告。設(shè)計的加熱單片機控溫系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體硬件電路的設(shè)計要以單片機為控制核心，將各功能模塊電路與單片機功能端口連接，形成整體功能電路，選用的單片機內(nèi)部集成A/D功能，這樣在外擴系統(tǒng)時不需要單獨設(shè)計A/D功能模塊，減少整體電路的冗余度和復(fù)雜度。由于該功能模塊的復(fù)用能力好，在一定程度上降低了制作成本。

輸出設(shè)備采用傳統(tǒng)獨立按鍵鍵盤，顯示模塊中顯示器通過8位數(shù)碼管實現(xiàn)實時溫度顯示。輸出和顯示功能作為單片機控制系統(tǒng)的常用功能[3]，通過簡單的設(shè)計，移植性和操作性很強。報警電路選用發(fā)光二極管和蜂鳴器，在溫度、壓力超出最大限時實現(xiàn)聲光報警。由于系統(tǒng)實現(xiàn)控溫度和顯示的過程需要采集、接收大量的信號、數(shù)據(jù)，控制過程需要產(chǎn)生大量運算數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)置也很有必要。數(shù)據(jù)存儲模塊能夠?qū)⑦\算數(shù)據(jù)實時保存，方便控制器調(diào)用。 實現(xiàn)溫度控制功能，有效測溫是關(guān)鍵。選擇傳感器時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。熱電阻和熱電偶都有裝配簡單，更換方便，測量范圍大，機械強度高，耐壓性能好等特點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）溫度測量模塊。本文設(shè)計的加熱單片機控溫系統(tǒng)基于SiliconIDE軟件開發(fā)環(huán)境。SiliconIDE集成開發(fā)環(huán)境是一套完整、獨立的軟件程序，操作簡單，使用方便，內(nèi)置開發(fā)測試所需工具，支持本設(shè)計中內(nèi)部集成A/D功能的單片機系統(tǒng)，在此平臺上完成控溫系統(tǒng)程序編寫、調(diào)試。

本單片機控制系統(tǒng)中測量對象是溫度，通過測溫電路后變?yōu)槲⑷醯哪M電信號，該信號通過A/D模塊的增益放大、濾波處理并轉(zhuǎn)化為單片機可識別的數(shù)字信號，再通過PID線性溫控法實現(xiàn)溫度PID控制。由于大型冶煉中，金屬溶液的溫度變化速度比較慢，因此PID采樣周期T設(shè)為90s;然后把PID控制器的控制量輸出作為PWM波占空比的輸入，通過PID輸出的控制量調(diào)整PWM波占空比的大小，PWM波的周期設(shè)為5分鐘;從而控制加熱工作的可控硅的通斷時間，以實現(xiàn)對液態(tài)金屬溫度的控制。

使用PID計算的重要代碼如下∶

typedef struct PIDPParament

{float AK[3];

float XK;//設(shè)定值

float KG;//比例常數(shù)

float KI;//積分常數(shù)

float KD;//微分常數(shù)

float UK;//輸出控制量}PID;

void PIDcaculate(PID*P,float YK)

{float q0=0,ql=0,q2=0,Tl=0,T2=0;

q0=(*P).KG+(*P).KI+(*P).KD;

ql=(*P).KG-2*(*P).KD;

q2=(*P).KD;

Tl=(*P).XK-IK;//AK=設(shè)定值XK一測量值YK}

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，為了提高所采溫度值的準(zhǔn)確性，加入了軟件濾波程序，由系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換器是單片機中的10位微控制器。當(dāng)啟動A/D轉(zhuǎn)換器后，數(shù)據(jù)連續(xù)進行12次的A/D轉(zhuǎn)換，這12次轉(zhuǎn)換的的數(shù)據(jù)會存入存儲設(shè)備的計算單元中，經(jīng)過排序，去除最大值、最小值，然后取剩下的10個數(shù)值的平均值。

（2）溫度控制模塊。本系統(tǒng)中采用PID線性溫控法進行溫度控制，基于PID調(diào)節(jié)器控制原理，其算法經(jīng)過長期的驗證證實簡單、可靠，用軟件計算方法實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。此外PID控制器模型中考慮了系統(tǒng)誤差、誤差變化及誤差積累三個因素[4]，整體的控制精度高、效果好。

由于溫度傳感器有可能意外故障，導(dǎo)致溫度測量值不準(zhǔn)確，系統(tǒng)可能會做出不正確的反應(yīng)機制，有可能會破壞冶金作業(yè)，造成不必要的經(jīng)濟損失。所以首先要進行相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，對比發(fā)現(xiàn)突變溫度數(shù)據(jù)，觸發(fā)溫度傳感器故障檢測程序運行。然后在故障排除后利用溫度控制算法來計算溫度變化控制量，如果該值超過一個最大控制量，為了提高加熱速度，系統(tǒng)會省略PID算法，開啟全速加熱控溫[5]。至此，基于冶金技術(shù)的加熱單片機控溫系統(tǒng)設(shè)計基本完成。

4 實驗論證分析

為驗證設(shè)計的基于冶金技術(shù)的加熱單片機控溫系統(tǒng)的有效性，進行了實驗論證。實驗對象為相同類型、同等狀態(tài)的的金屬熔渣，均采用液態(tài)電渣冶金技術(shù)加熱，一種使用新系統(tǒng)進行溫度控制，另一種使用傳統(tǒng)方法控溫調(diào)節(jié)。最后統(tǒng)計兩種方法的冶金效率，其實驗論證結(jié)果曲線如圖2所示。

圖2 實驗論證結(jié)果曲線

由圖2實驗結(jié)果可知，使用新設(shè)計的加熱單片機控溫系統(tǒng)進行金屬液態(tài)冶練的效率比傳統(tǒng)方法效率更高。另一方面，通過自動化控溫能夠精準(zhǔn)保證金屬冶練溫度條件，提高出產(chǎn)金屬的純度。

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)階段我國金屬冶練技術(shù)進行分析，針對液態(tài)電渣冶金技術(shù)中溫度控制的需求進行加熱單片機控溫系統(tǒng)整體設(shè)計。經(jīng)系統(tǒng)硬件設(shè)計和溫度測量、控制模塊軟件設(shè)計完成系統(tǒng)的整體設(shè)計，并且經(jīng)過實驗論證證明了該系統(tǒng)的有效性。希望使用該系統(tǒng)可以有效提高冶金工業(yè)自動化水平，提高生產(chǎn)效率，為我國的金屬冶練提供信息化、技術(shù)化支持。