液化氣加熱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳家福，歐陽崇偉，吳忠祥

（貴陽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程，特別是金屬制造過程中加熱溫度的精準(zhǔn)控制是個(gè)難題，生產(chǎn)過程中溫度的準(zhǔn)確性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量[1]，在生產(chǎn)過程中，實(shí)時(shí)采集并傳輸運(yùn)用溫度數(shù)是溫度控制系統(tǒng)需要解決的問題[2]。李裴等[3]基于STC單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能化病房溫控系統(tǒng)。李玉全[4]設(shè)計(jì)了一種熱水和冷水混合控制器提高混水閥的控制精度和穩(wěn)定性。劉奕雯等[5]基于STM32的智能溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)溫度的無線遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)及智能控制。潘麗[6]采用單片機(jī)與DS18B20以及LCD1602等模塊實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控與報(bào)警。關(guān)樸芳[7]開展了基于單片機(jī)STC89C52的智能溫度控制器的硬件設(shè)計(jì)。單片機(jī)也常被用于水溫調(diào)控[8-10]和溫度監(jiān)控[11-13]，中藥行業(yè)也有應(yīng)用[14，15]，甚至用于疫情防控中的溫度采集?？梢姡褂脝纹瑱C(jī)控制溫度是一種常見的方法，單片機(jī)用于溫度的采集和控制，價(jià)格便宜、使用方便、性能可靠。

本文將開發(fā)設(shè)計(jì)一種針對(duì)金屬制造的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，金屬表面溫度是被控制的對(duì)象，利用單片機(jī)作為控制器和比較器，單片機(jī)對(duì)非接觸紅外測(cè)溫模塊讀取到的溫度數(shù)據(jù)和單片機(jī)里儲(chǔ)存的設(shè)定溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，對(duì)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)液化氣的噴出量，從而控制加熱工件的表面溫度。

1 設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的溫度閉環(huán)控制原理示意如圖1。在單片機(jī)上設(shè)定溫度，單片機(jī)向流量調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令，輸出液化氣后點(diǎn)燃加熱部件，非接觸式紅外測(cè)溫器測(cè)量部件溫度，并將所測(cè)溫度實(shí)時(shí)傳輸回單片機(jī)與設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)所測(cè)部件溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，則加大流量供給，反之則減少流量供給，從而達(dá)到控制溫度目的。由此可見，液化氣流量調(diào)節(jié)裝置采用何種方式對(duì)溫度調(diào)節(jié)效果有重要影響。

圖1 液化氣溫度閉環(huán)控制原理

選用常用液化氣噴槍，噴槍不做改動(dòng)，只將其閥門常開到最大，在液化氣罐與噴槍之間連接一個(gè)電控球閥，液化氣的輸出量由電控球閥控的開度決定，電控球閥的開度又由單片機(jī)將檢測(cè)到的溫度和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較后輸出信號(hào)來控制，圖2為液化氣加熱溫度控制系統(tǒng)示意圖。

圖2 液化氣加熱溫度控制系統(tǒng)

溫度檢測(cè)模塊為非接觸式紅外測(cè)溫儀，非接觸式紅外測(cè)溫儀檢測(cè)溫度后反饋的是0～10電壓信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)0～700℃。液化氣在燃?xì)庠罾锶紵臏囟燃s為950℃，本實(shí)驗(yàn)為正常大氣環(huán)境，其溫度低于燃?xì)庠罾锶紵臏囟?，另外也可調(diào)整火焰距離達(dá)到降溫目的。因此，非接觸式紅外測(cè)溫儀0～700℃的溫度量程完全符合要求。

2 溫度控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集模塊

2.1.1 非接觸式紅外測(cè)溫儀

選用的是SAX0AC/BC/CC系列在線紅外測(cè)溫儀，非接觸式紅外測(cè)溫儀對(duì)溫度的檢測(cè)分為四個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、讀取溫度、轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出、單片機(jī)讀取并轉(zhuǎn)化。其主要參數(shù)為：測(cè)溫范圍0～700℃；光學(xué)分辨率20∶1；響應(yīng)時(shí)間200 ms；精度為±1℃；紅色線12～24 V DC電源正；黑色線12～24 V DC電源負(fù)；藍(lán)/白色線信號(hào)4～20 mA+：0～10 V+；藍(lán)/白色線信號(hào)4～20 mA+：0～10 V+；橙/藍(lán)色線信號(hào)4～20 mA-：0～10 V-；透明采用屏蔽線。

紅外測(cè)溫儀采用12～24 V的DC電源，單片機(jī)讀取藍(lán)/白或橙/藍(lán)信號(hào)線的信號(hào)（4～20 mA信號(hào)或者0～10 V信號(hào)），并用對(duì)應(yīng)關(guān)系把4～20 mA信號(hào)或者0～10 V信號(hào)和0～700℃對(duì)應(yīng)上。

2.1.2 AD轉(zhuǎn)換串聯(lián)電阻降壓

單片機(jī)需要讀取非接觸式紅外測(cè)溫儀的電壓信號(hào)，需進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，STC15單片機(jī)有內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)化模塊。非接觸式紅外測(cè)溫儀的輸出電壓信號(hào)為0～10 V單片機(jī)的參考電壓為5 V。這樣就需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行串聯(lián)電阻降壓，降壓電路如圖3所示。

圖3 電阻降壓電路

2.1.3 溫度的校準(zhǔn)

單片機(jī)內(nèi)阻以及參考電壓不準(zhǔn)確等情況會(huì)導(dǎo)致讀取的電壓型號(hào)會(huì)出現(xiàn)誤差，要用電位器對(duì)讀取到的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。電位器由輸入端、輸出端和電刷組成，類似于滑動(dòng)變阻器，只不過電位器是轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.4 OLED12864

OLED12864用來顯示采集到的溫度，如圖4所示。顯示屏數(shù)據(jù)傳輸接口連接單片機(jī)的P3.0、P3.1引腳，非接觸式紅外測(cè)溫儀器的信號(hào)輸出線通過串聯(lián)電阻分壓后連接P1.2引腳，可見圖7。單片機(jī)由220 V的AC電源轉(zhuǎn)化為12 V的DC電源供電。電控球閥的供電為220 V的AD電源供電，OLED由5 V的DC電源供電。

圖4 OLED顯示屏

2.2 氣體流量控制模塊

2.2.1 電控球閥的使用

選用電控球閥作為液化氣流量大小的控制執(zhí)行元件，是電控元件和執(zhí)行元件為一體的閥門，閥門的控制由220 V的AC電源、公共端、開閥端、關(guān)閥端組成，如圖5（a）所示，電控球閥的電源AC220V、帶載荷額定功率20 W。

如圖5（b）所示，電控球閥引出的信號(hào)線為6條：①紅黑AC220 V電源；②綠色（關(guān)閥）；③黃色（開閥）；④藍(lán)色（公共）；⑤NC4～20 mA輸出；⑥空置（可擴(kuò)展）。加大液化氣流量時(shí)就需開閥就要接通黃色開閥線。反之就需要接通綠色關(guān)閥線，需保持不變則兩條線都斷開。

圖5 電控球閥

2.2.2 控制系統(tǒng)原理

液化氣溫度控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 溫度控制系統(tǒng)原理

液化氣溫度控制系統(tǒng)整體由220 V的AC電源供電，通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)化后變?yōu)?2 V電源為單片機(jī)供電，非接觸式紅外測(cè)溫儀并聯(lián)共用12 V電源，接觸式紅外測(cè)溫儀輸出電壓經(jīng)過分壓后串聯(lián)電位器后接入單片機(jī)P1.2 AD轉(zhuǎn)換引腳。

電控球閥由220 V的AC電源供電，公共端接地，開閥端和關(guān)閥端分別接入單片機(jī)P3.3和P5.4引腳，OLED12864由5 V電源供電，兩個(gè)信號(hào)端接入單片機(jī)P3.0和P3.0引腳。

2.3 單片機(jī)主程序（部分）

#include＜stc15.h＞

...

main（）

{

unsigned char temp[20]; //定義顯示區(qū)域臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)組

unsigned char i，n，j;

unsigned int ad1，sdwd，sswd，sum;

...

while（1）

{

...

sswd=ad1*7/10; //模擬量與實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換1023對(duì)應(yīng)700°

/*閥門實(shí)時(shí)控制*/

i（fsswd＞sdwd+30）

{fmg=0;fmk=1;} //閥門關(guān)

i（fsswd＜sdwd-30）

{fmk=0;fmg=1;} //閥門開

i（fsswd＜sdwd+30&&sswd＞sdwd-30）

{fmg=1;fmk=1;} //閥門既不開也不關(guān)

/*oled顯示 */

...

}

}

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

先把軟管和接口對(duì)接完畢后接入液化氣，接口纏上生膠帶避免泄漏。實(shí)驗(yàn)開始，溫度控制系統(tǒng)通電，非紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到溫度低于設(shè)定溫度，且低于設(shè)定溫度超過±30℃的緩存溫度，電控球閥開始打開，氣體開始從噴槍噴出，點(diǎn)燃?xì)怏w后用非接觸式紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)被加熱的部件，并觀察OLED顯示屏上的溫度，如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加熱對(duì)象為金屬，其吸熱和散熱能力強(qiáng)導(dǎo)致溫度波動(dòng)較大，造成在溫度控制前期，對(duì)溫度的控制速度慢、波動(dòng)大，實(shí)驗(yàn)過程溫度變化如圖8所示，當(dāng)金屬部件溫度升高后，溫度控制才開始變穩(wěn)定，并最終接近設(shè)定溫度（200℃），考慮到測(cè)溫誤差和火焰加熱金屬的波動(dòng)性，工件溫度維持在設(shè)定溫度±5℃即為合格。

圖8 設(shè)定溫度200℃時(shí)實(shí)驗(yàn)過程溫度變化

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的一種液化氣溫度控制系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了其主要功能?；趩纹瑱C(jī)控制的溫度控制系統(tǒng)，通常以單片機(jī)控制加熱元器件的方式控制溫度，而控制溫度的方法是采用控制液化氣流量大小的方法控制溫度，方法較為新穎，可實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度±5℃范圍內(nèi)的溫度控制。