晶體退火爐溫度智能控制研究

崔京華

（河北化工醫藥職業技術學院機電工程系 河北省石家莊市 050026）

根據筆者的調查和了解，發現當前我國冶金和機械制造等相關領域所使用到的退火爐有著多種形式，但是從使用燃料的角度來劃分，其可以劃分為電爐、燃氣爐和燃油爐三種類型，其中電爐所占比重最高，可占據整體的百分之八十左右。但無論是何種退火爐，其退火控制的核心都是溫度控制，溫度控制是最為關鍵的熱處理質量控制技術措施之一，通過對溫度的智能控制，其不僅僅可以在很大程度上消除其中存在的諸多不穩定因素、提高熱處理質量，而且還能夠大大提高溫度控制的精確度，也可以更好地滿足特殊材料對于熱處理的需求。以下是筆者結合自己多年相關工作經驗，就此議題提出自己的幾點看法和建議。

1 研究晶體退火爐溫度智能控制的意義

近些年，伴隨著資源短缺以及生態環境破壞程度的不斷加劇，大眾對于生態環境的保護以及資源的高效利用表示出越來越高的關注度。晶體退火爐采用自動化與智能化技術來控制溫度，對于生態環境的保護來說至關重要。晶體退火爐的溫度智能控制是依靠先進的智能化技術來對溫度進行精準調控，確保溫度保持在一個穩定的狀態下，進而確保產品的質量。晶體退火爐的爐溫是呈動態波動趨勢的，如果爐內溫度比較低，那么其便不能夠達到退火的目的，而如果溫度比較高，那么其也很有可能出現燒制過度的情況，晶體退火爐的智能溫度控制能夠更好地滿足生產過程中對鋼材溫度上升曲線的更高控制。

采用智能化手段來控制晶體退火爐的溫度，進一步優化控制退火爐的生產過程和自動工藝管理控制，在生態環境保護中的作用具體體現在以下幾個方面：首先，智能化溫度控制方式和手段可以有效縮短生產的周期，提高產品的質量和產量，這樣一來，其不僅僅可以有效降低因為人為因素影響導致的廢品率過高的問題，而且去也減少了不必要的資源耗費，降低了環境污染程度。其次，晶體退火爐在完成熱處理之后必然會產生廢氣，這種廢氣對于自然環境的污染和危害程度非常大，如果不能較好地控制和調節所需溫度，那么，退火爐里面的燃料很容易出現欠氧燃燒的情況，燃料燃燒不充分必然會造成大量黑煙的產出，但是如果燃燒過度充分，又有可能會產生一系列有害氣體，諸如氮氧化合物等等，這些都是危害自然環境的重要來源。因此，晶體退火爐溫度智能控制可以通過溫度的精準調節來有效控制燃燒程度，確保燃燒能夠在科學合理的空燃比下進行，由此產生的環境污染程度自必然會大大降低[1][2]。

2 研究晶體退火爐溫度智能控制的目的

晶體退火爐作為石英晶體元件生產專用設備，其價值和作用是要消除加工過程中晶體因為加工應力所產生的表面缺陷。晶體退火爐擁有兩個真空室，而且每一個真空室都是相互獨立的關系，各自擁有著各自的控溫區，彼此之間并不影響。在真空室的諸多控溫區當中對于溫度的控制要求也是有所不同的，一般情況下會根據實際加工和生產需求選擇在150 度到300 度之間設定一個恒溫值，溫控精度上下浮動兩度即可，爐溫均勻度需要控制在上下五度之內。之所以要對晶體退火爐溫度進行智能控制，維護好爐內溫度，是因為晶體退火爐與普通退火爐不同，其對于真空度的要求是非常高的，而且晶體退火爐只能通過輻射傳熱，并不能通過對流或者傳導的方式來實現傳熱，因此，其必須要通過溫度的智能控制才能夠高效控制和解決好退火爐爐膛溫度中存在的響應速度慢、溫度分布不均勻、較大超調量以及工件溫度滯后嚴重等問題。

3 晶體退火爐溫度智能控制研究

3.1 晶體退火爐溫度控制系統設計方案

該晶體退火爐溫度控制系統設計方案，意在通過更具科學性和簡潔性的方式來實現對退火爐溫度的智能控制：該方案選用的是電熱絲加熱的方式，通過巡回檢測退火爐內的溫度以及綜合考量測量到的溫度采樣值和系統給定值來隨時啟動、關閉和調節電熱絲加熱開關和溫度。選用的是控制器是單片機，4 個鍵盤，最少拍無波紋控制器來選擇和控制溫度值，三維LED 顯示爐內溫度。

3.2 晶體退火爐溫度控制系統組織結構

如圖1所示，晶體退火爐使用的是電熱絲來進行加熱，可設定的溫度范圍是0 到1000 攝氏度；利用熱電偶來檢測爐內溫度，經變送器轉變成為合適的電壓信號再通過A/D 轉換器來轉換成為數字量；再將經過數字濾波之后的數字量送入CPU 作為本次采樣值。進而通過設定值以及測量得到的溫度值進行綜合考量之后再確定是不是要啟動電熱絲。

該晶體退火爐溫度智能控制系統的設計主要涵蓋五個主要部分，分別是核心控件、溫度檢測、復位電路、按鍵以及LED 顯示電路。其中，核心控件選用的是AT89C51 單片機作為主要組成部分，發揮主要控制功能，是晶體退火爐溫度智能控制系統當中的核心部分[3][4]。

3.3 晶體退火爐溫度控制系統硬件組成部分

該晶體退火爐溫度控制系統硬件主要由四個部分組成，分別是：

（1）以AT89C51 為中央處理器的最小系統，其控制著整個系統的運行，諸如上下限報警、采集和處理數據信息以及把持爐溫定值等等多屬于該部分的控制范疇。考慮到AT89C51 地址線可能存在不足的情況，研究人員還選用了高端譯碼器來對高位地址進行了譯碼，把譯碼器輸出作為片選線。

（2）由顯示器、鍵盤以及8155 共同組成的操作平臺，第二部分的核心是8155，其不僅僅給AT89C51 提供并行接口，而且連接鍵盤和顯示器。平臺上面顯示的是平均溫度，當平均溫度和上下溫度進行比較，如果平均溫度超出上下溫度，那么指示燈則會顯示紅燈報警，但如果沒有超出既定范圍，那么指示燈則顯示綠燈，代表運行正常。

（3）檢測部分，檢測環節使用到的組件包括退火爐、變送器、熱電偶、放大電路以及ADC0809。溫度信號通過電熱偶轉變為電信號，然后再及鞥過變動器和放大點路轉變成為安全電壓信號傳送到A/D 轉換器，最終由ADC0809 把數字量送入到AT89C51，實現數據處理效果。

（4）執行機構，由DAC0832 將數字量轉變成為模擬量，經過運算放大器再把 模擬量轉變成為電壓信號，通過電壓信號的方式進入到模擬執行器件當中，執行器件會根據命令來調控閥門的開度，進而設定煤氣的輸入量，最終實現智能控制溫度的目標。晶體退火爐溫度控制系統工作原理圖如圖2所示。

3.4 AT89C51和存儲器之間的連接

該系統會使用到兩種存儲器，即程序存儲器和數據存儲器，這兩種儲存器在具體使用過程中是存在著嚴格區別的，程序儲存器主要被用來存放程序指令和各種表格、數據信息等，而數據存儲器則主要被用作存放緩沖數據，所以二者絕不可混合使用。

在該系統的設置當中，AT89C51 與存儲器之間的連接如下：在ALE 是高電平的情況下，P0 口的輸出地址要低八位，而P2 口的輸出地址要高五位。在ALE 下降沿將P0 輸出的低八位地址鎖存到外部地址鎖存器當中，然后P0 口由輸出轉變成為輸入方式，P2 口的高五位不變，并且轉變為低電平有效[5]。

3.5 鍵盤電路的設置

該溫度智能控制體系當中采用的是行列式鍵盤，既矩陣式鍵盤，按鍵設置在了行列的交點上面。之所以要采用這樣的設計方案，是因為該系統中使用鍵盤的次數是非常多的，這種方式可以在很大程度上節省I/O 口線。

3.6 鍵盤顯示電路的設計

研究人員關于顯示電路的設計，選用的是8155 芯片，8155 芯片在拓展接口電路中有著非常強的實用性。8155 芯片不僅僅是通用I/O 口，而且還可以是片外256 字節RAM 及計數器。除此之外，8155 芯片還有一個先天優勢，那就是其和AT89C51 單片機的連接也更加簡單，其自身便有集地址鎖存器，因此，8155 芯片不再需要使用外接地址鎖存器。

3.7 顯示電路的設計

單片機的輸出設備選用的數碼顯示器，數碼顯示器可以更加清晰地顯示中間信息、單片機的鍵輸入值以及運算結果，工作人員因此可以更加清楚地觀察和監視單片機的實際運行情況。當前比較常用的數碼顯示器主要有兩種，分別是LED 和LCD。該系統中最終確定的是使用八段發光二極管顯示器LED，動態顯示方式，之所以選用這種顯示器，是因為其可以配合分時輪休選通數碼管的公共端，確保各個數碼管都能夠輪流導通。選用八段發光二極管顯示器LED不僅僅在一定程度上提升了數碼管的發光效率，而且其各個數碼管的字段線都是并聯的，由此硬件線路可以得到很大的簡化。

3.8 D/A轉換電路設計

該系統選用的是美國數據公司的8 位雙緩沖D/A 轉換器——DAC0832，該轉換器自身便帶有數據鎖存器，其可以和常用的各種微處理器直接接口，芯片接口也非常簡單，轉換控制很容易，價格也不高。除此之外，DAC0832 轉換器有著非常強的溫度跟隨性，其可以適應和承受的溫度范圍非常廣。

3.9 A/D轉換電路的設計

該系統選用的是ADC0809 逐次逼近式A/D 轉換器，ASC0809共有八個通道的模擬量輸入線，在程序有效控制的情況下，其可以對任意通道進行轉化，最終得到八位二進制數字量。

3.10 電源電路設計

晶體退火爐溫度智能控制對于電源的穩壓效果要求非常高，因此，在電源電路要求方面研究人員會非常重視電壓的范圍，在選擇相關設備時也會重點關注到電壓這一點。通常情況下，絕大多數芯片正常使用時的電壓范圍是在4.9v 到5.1V 之間，研究人員為了更好地確保系統的順利運行，選擇單獨增設了5V 的電源，設計成三端集成穩壓器7805。該系統中研究人員設計的電源需要經變壓器變壓降低到35VA 以下，再經過整流使其接近于直流，然后由電容濾波和三端穩壓器7805 轉化成為5V 的直流電。

圖1

圖2：晶體退火爐溫度控制系統工作原理圖

4 結束語

綜上所述，晶體退火爐溫度智能控制研究工作有著非常強的必要性，到目前為止投入使用的溫度智能控制系統雖然呈現出比較理想的使用效果，但是其還存在著非常大的上升空間。未來晶體退火爐溫度智能控制系統的研究工作應該繼續堅持以強功能、低價格、實用價值高以及操作簡便等為主要目標，在設計過程中充分考量多方面因素，在確保溫度控制實際需求的基礎上更要積極迎合社會新形勢的發展需求，在確保自身效率的同時關注到生態環境的保護，正確早日實現經濟效益與社會效益、生態效益多方完善的理想效果。