電阻爐智能溫度控制的設計分析

黃爽

摘要：隨著工業和各行各業的迅速發展，對于溫度控制的要求也日益增加，傳統的模擬開關控制已經不能滿足工業的需求，本文通過對電阻爐智能溫度控制系統的設計研究，設計出一套快速、精度高的智能調節電阻爐的溫度控制系統，有效的提高了電阻爐對于溫度控制的要求。

關鍵詞：電阻率；智能控制；設計分析

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

電阻爐是利用電流使爐內電熱元件或者加熱介質升溫發熱，將電能轉化成熱能的過程，從而對爐腔內的工件進行加熱，廣泛地應用于金屬的熱處理、化學藥品的加熱、鋼鐵廠的煉鋼、食品的加工等領域[1]。電阻爐在加熱的過程中，采用電能的形式進行加熱，具有結構簡單，沒有噪聲，也不會對室內環境造成污染等特點，并且可以通過控制電流的大小直接控制爐內的溫度，實現智能控制[2]。

本文以32位的STM32單片機為基礎，設計出一套快速、精度高的智能調節電阻爐的溫度控制系統，從而來滿足人工控制的不足，達到調節電阻爐溫度的目的。

1 爐溫控制系統總體方案設計

1.1 硬件系統設計

根據實際環境，本設計選用普通的電阻爐為研究對象，其外形是圓柱體，爐腔內放置加熱元件，并選擇相應的技術指標：電阻爐的額定功率為2KW，額定電壓為220V，額定溫度為1200℃，主要實現電阻爐內的溫度控制，其中，包含有溫度測量、溫度顯示、預定溫度、調節溫度和報警等要求。

本文設計的智能電阻爐采用STM32單片機，采用PID算法對電阻爐的溫度進行控制和調節，其硬件系統結構如下圖1所示。

圖1硬件系統結構中STM32單片作為主控模塊，是整個溫控系統的核心電路，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℃的溫度范圍內進行正常的工作，這個溫度范圍基本上滿足大多數工業的要求，并具有低能耗、高效率等特點，以此得到廣大設計著的青睞。

溫度電路主要是將測量溫度的模擬量轉化成數字量的電路，是控制系統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，它能將溫度信號轉化成毫伏級的模擬電勢信號，從而實現溫度的測量和信號的轉換。

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到控制爐溫的目的。本文設計的電阻爐智能溫度控制器，其執行元件選用固態繼電器，該固態繼電器由固態電子元器件組成，沒有觸點的電子開關，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。由于不存在機械結構的動作，避免了機械磨損等缺陷，也不會有噪音等現象的產生，這樣使得其使用壽命較長。

1.2 軟件系統設計

由于C語言的功能強大，具有靈活多變的表達方式、高效的目標程序代碼、可移植性等特點，并兼顧高級語言和低級語言的特點。因此本文的控制系統的軟件系統采用C語言進行編寫。其中，主程序的設計是硬件系統正常工作的關鍵，這樣才能實現電阻爐的溫度控制和調節，而電阻爐的溫度調節必須依靠控制算法來實現。

該設計我們通過對爐內溫度控制算法的設計分析，采用PID算法控制，主要包括模擬PID控制和數字PID控制。通過我們所選的單片機型號輸出的PWM信號來控制固態的繼電器，其PWM的功能主要是通過改變一個周期內的交流電的通電時間來實現電阻爐內的溫度控制和調節。

2 仿真與調試

基于單片機的電阻爐內溫度的智能控制系統設計，通過硬件電路和軟件系統的設計分析之后，理論上是實現電阻爐溫度的智能調節控制，但我們要考慮人為因素和電器的故障，另外還需要調試所編寫的主程序、子程序是否能夠正常的運行，因此需要對設計的控制系統進行仿真和調試，對出現的問題和不足的地方進行修改，這樣才能確保控制系統的可靠性和安全性。該系統的仿真與調試分為如下：

2.1 硬件系統的調試

將硬件電路按照設計連接，并通過導線連接成系統，由于本設計選用的單片機STM32，模數轉換器以及固態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，使得硬件調試也比較簡單。檢測各個電路連接點是否接通，檢測是否有斷路、短路的現象，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行檢驗，檢驗輸出是否正常。硬件的調試是保證爐內溫度智能控制系統正常工作的前提。通過檢測硬件系統所有連接正常，沒有異常發生，則完成硬件系統的調試。

2.2 程序功能的調試

在調試程序過程中，通過對比程序的流程圖的框架，根據框架來檢驗編寫的程序是否符合功能的邏輯流程，從而驗證主程序的運行是否正確，并在任何時候或者任何一個環節所起的功能是否有效。其中，子程序功能的調試工作主要是檢驗每個子程序能否實現各個子程序所設定的功能。在第一次調試每一個子程序功能的時候，由于各個子程序的參數都是不確定的，需要人為的設定，而我們就必須根據實際情況的需要，對未知參數進行預先設定，這樣才能使子程序實現相應的功能。在驗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果與理論值一致，就不需要修改，反之就要對子程序進行檢驗和修改。

3 結語

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

參考文獻

[1]蔡春橋，王永軍，王俊彪，李峰.電阻爐溫度控制系統的設計與實現[J].科學技術與工程，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的設計[J].自動化與儀表，2006，（06）：43-45.

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