一种智能热处理电阻炉快速温度控制系统的设计

一种智能热处理电阻炉快速温度控制系统的设计

何占东 李懿轩 赵悦婷

辽宁科技大学 电子与信息工程学院 114051

摘要:在现代化技术背景下脚的电阻是加热炉会划分为多组加热，电阻对其进行加热，温控仪会对各组加热电阻进行控制，这样的控制方式比较便捷，因为所涵盖的控制功能比较少，所以操作较为简便。如果采用PLC进行统一控制，则可以实现多种可编程智能功能控制，并可以与上位机通信实现远程控制。然而如果整体全部运用PLC进行控制，那么就会造成风险进一步集中，假如一组加热丝或者动力控制装置故障，那么就会造成总体的加热炉运行不畅。由此为了形成统一化的 PLC控制系统，那么就需要对加热电阻丝的控制部分进行划分，从而当单个加热丝故障时，总体的加热炉仍然正常运行。采用PWM方波算法对加热进行精确控制；当设定温度低于实际温度时，实现冷却功能。本文的研究对开发智能化温度控制系统的应用具有一定的意义。

关键词：电阻炉温控系统；STC89C52单片机；PWM方波；PID算法

引言：

电阻炉是金属材料热处理的重要工具，同时也用于多个热处理设备具备控温高精度高、水平高等特性。除此之外，电阻炉可以在多个场景得到有效的利用，它的结构比较简单紧凑，能够适用于流水线生产模式，同时具备体积小的特点，不会占用太大的位置。电阻炉的生产和热处理工艺也向机械化自动化的方向发展，具备较高的生产效率，不会对环境造成过多的污染。加热炉热处理炉和反应炉的温度协调水平影响着整个程序的运行质量，在适宜时对温度值进行调整。而各系统的工作温度也有所差异，假如工作温度超过标准范围，那么系统就极有可能遭受破坏，所以必须要明确温度变化状况，设计相应的报警系统，能够对温度进行监控。为了更好的节省成本，我们会运用单片机来对温度进行控制，单片机具有可靠性高，功耗低等特性，能够精准的对温度进行控制，还能够提升产品的质量，所以很多中小型企业都非常青睐这一材料。本文在这一背景下研究了单片机控制系统，同时设计的一种电阻炉智能快速升温系统，希望本文的研究能够为相关工作者提供理论参考。

1电阻炉温度控制总体设计

1.1温度传感器模块

DS18B20是温度传感器模块的主要设备。它的功能是将测得的水温值及时传递给单片机，然后对模拟信号进行数字化，因为数字化后的信号更有利于数据处理。由于DS18B20的读写操作是在输入输出线上进行的，因此提出了读写数据的位置标准。为了使数据在传输过程中准确、完整，DS18B20设置了通信协议。协议包括初始化定时、读定时、写定时和其它信号定时。

1.2温度显示模块/设定模块

温度模块包括显示模块和设定模块。显示模块采用LCD1602液晶显示器进行显示，每行有16个字符，共2行。显示内容包括字符、数字等，内容多而复杂，主要显示电阻炉的实际温度和设定温度。这个模块包括两个键：加号和减号。Plas代表正，sub代表负。系统的初始温度一般为30℃。

1.3温度控制模块

温控模块利用光耦将单片机输出的PWM方波转换为晶闸管的开路，从而提高电阻丝的功率。晶闸管与外部电阻连接，与光耦结合实现数据输出，完成电阻开关控制，提高制冷和制热性能。

2系统软件设计

2.1 系统主程序

这一系统的设计能够对ds18 b20的温度进行检测，同时对水温发挥控制作用，从而促使系统能够正常运行，还能够将温度值进行显示，除此之外，键盘也能够调节温度。

2.2温度采集子程序

一般情况下，ds18b20数字温度传感器能够对水箱的温度进行检测，然后将温度值输入到stc89c52单片机中，最后把可挂硅和设定温度予以比较，从而有效提升温度控制水平。

2.3控制算法

由于冷却设备不包括在温度控制系统中，因此应将水温从低到高缓慢调整到设定值。采用PID算法进行控制比较合适，因为该算法包含了比例、积分、微分等算法，可以快速提高控制量。但是，由于系统缺少冷却设备，如果温度过高就不能降低到设定值。为了使水温冷却只能自然冷却，冷却速度很慢，而且冷却比较麻烦，因此，本系统选择了预先设定相对于温度的PWM值。当设定温度与实际温度之差逐渐增大，超过10℃时，启动热电阻加热。但是，如果差值仍在10℃范围内，则会跳转到相应的PWM值来控制热电阻的加热过程，如果测得的温度超过实际温度，加热将停止。

当热电阻被加热时，热水会向上流动，从而引起炉膛上下温差，使传感器的位置变得困难。如果将传感器置于炉下，当测得的温度与设定温度相同时，实际温度高于设定温度，当水温达到规定温度时，实际温度低于设定温度。这两种误差会影响温度测量结果。相对而言，后者更好，因为系统中没有冷却设备，所以即使实际温度没有达到设定温度，也可以进一步加热到规定温度。

系统温度传感器的位置在炉顶。然而，由于水温不断上升，设定温度与实际温度之间存在线性关系。如果停止加热，仍有一些热量急于释放，此时释放的热量能够对其进行加热。因此，当实测温度与设定温度相差不大时，有必要停止或缩短PWM低电平的加热时间，以提高温度值的准确性。T为设定温度与实际温度之差，1为一个循环的低电平工作时间。

3温度控制系统Proteus仿真

3.1仿真说明

单片机的驱动端口还需要得到改进，需要利用光耦来实现控制目的。由此假如输出端口有较高的工作效率，那么就需要利用低电平对加热丝进行加热，如果设定的温度与实际温度有所差异，就需要确定差异范围，假如在10℃以上，那么对其进行粗调。加热丝连续加热 P wm控制，然而设定温度与实际温度相差不大，只需进行微调就可以，此时加热丝的加热需要由p wm控制。

3.2仿真结果

当实际温度与设定温度相差较大时，那么pwm输出为低电平，此时电阻丝将会连续加热。而实际温度与设定温度相差较小时，那么控制算法就会启动功能，电阻丝控制加热。差值进一步减小时，控制算法也会启动，此时电阻丝的控制功率也降低。如果设定温度小于实际温度，pwm则为高电平输出此时电阻丝不工作。通过以上的控制结果，我们可以了解到快速控制系统的设计实现了连续快速加热、精确控温和冷却的设计，明显达到了设计目的。

4总结

本文设计的智能快速温度控制系统，采用PWM方波控制加热算法，实现了设定温度与实际温度相差大于10℃时的连续加热和温差小于10℃时的精确温度控制，以及当温度低于实际温度时的冷却功能。该智能温度控制系统对实现电阻炉温度的精确控制，启动热效率的有效控制具有一定的实用价值。

参考文献：

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基金项目:辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目。

作者简介:何占东，男，辽宁省大连市，本科。

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