液化氣加熱溫度控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

吳家福，歐陽崇偉，吳忠祥

（貴陽學院 機械工程學院，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控制是個難題，生產(chǎn)過程中溫度的準確性直接影響到產(chǎn)品的質量[1]，在生產(chǎn)過程中，實時采集并傳輸運用溫度數(shù)是溫度控制系統(tǒng)需要解決的問題[2]。李裴等[3]基于STC單片機設計并實現(xiàn)智能化病房溫控系統(tǒng)。李玉全[4]設計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)實現(xiàn)房間內(nèi)溫度的無線遠距離監(jiān)測及智能控制。潘麗[6]采用單片機與DS18B20以及LCD1602等模塊實現(xiàn)溫度的監(jiān)控與報警。關樸芳[7]開展了基于單片機STC89C52的智能溫度控制器的硬件設計。單片機也常被用于水溫調(diào)控[8-10]和溫度監(jiān)控[11-13]，中藥行業(yè)也有應用[14，15]，甚至用于疫情防控中的溫度采集。可見，使用單片機控制溫度是一種常見的方法，單片機用于溫度的采集和控制，價格便宜、使用方便、性能可靠。

本文將開發(fā)設計一種針對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象，利用單片機作為控制器和比較器，單片機對非接觸紅外測溫模塊讀取到的溫度數(shù)據(jù)和單片機里儲存的設定溫度數(shù)據(jù)進行比較后，對調(diào)節(jié)裝置進行調(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 設計方案

本文所設計的溫度閉環(huán)控制原理示意如圖1。在單片機上設定溫度，單片機向流量調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令，輸出液化氣后點燃加熱部件，非接觸式紅外測溫器測量部件溫度，并將所測溫度實時傳輸回單片機與設定的溫度進行比對，當所測部件溫度小于設定溫度時，則加大流量供給，反之則減少流量供給，從而達到控制溫度目的。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，只將其閥門常開到最大，在液化氣罐與噴槍之間連接一個電控球閥，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將檢測到的溫度和設定的溫度進行比較后輸出信號來控制，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)

溫度檢測模塊為非接觸式紅外測溫儀，非接觸式紅外測溫儀檢測溫度后反饋的是0～10電壓信號，分別對應0～700℃。液化氣在燃氣灶里燃燒的溫度約為950℃，本實驗為正常大氣環(huán)境，其溫度低于燃氣灶里燃燒的溫度，另外也可調(diào)整火焰距離達到降溫目的。因此，非接觸式紅外測溫儀0～700℃的溫度量程完全符合要求。

2 溫度控制系統(tǒng)關鍵模塊設計

2.1 溫度采集模塊

2.1.1 非接觸式紅外測溫儀

選用的是SAX0AC/BC/CC系列在線紅外測溫儀，非接觸式紅外測溫儀對溫度的檢測分為四個階段：啟動、讀取溫度、轉化為電信號輸出、單片機讀取并轉化。其主要參數(shù)為：測溫范圍0～700℃；光學分辨率20∶1；響應時間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；藍/白色線信號4～20 mA+：0～10 V+；藍/白色線信號4～20 mA+：0～10 V+；橙/藍色線信號4～20 mA-：0～10 V-；透明采用屏蔽線。

紅外測溫儀采用12～24 V的DC電源，單片機讀取藍/白或橙/藍信號線的信號（4～20 mA信號或者0～10 V信號），并用對應關系把4～20 mA信號或者0～10 V信號和0～700℃對應上。

2.1.2 AD轉換串聯(lián)電阻降壓

單片機需要讀取非接觸式紅外測溫儀的電壓信號，需進行AD轉換，STC15單片機有內(nèi)部的AD轉化模塊。非接觸式紅外測溫儀的輸出電壓信號為0～10 V單片機的參考電壓為5 V。這樣就需要對輸出電壓進行串聯(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

單片機內(nèi)阻以及參考電壓不準確等情況會導致讀取的電壓型號會出現(xiàn)誤差，要用電位器對讀取到的溫度進行校準。電位器由輸入端、輸出端和電刷組成，類似于滑動變阻器，只不過電位器是轉動。

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的P3.0、P3.1引腳，非接觸式紅外測溫儀器的信號輸出線通過串聯(lián)電阻分壓后連接P1.2引腳，可見圖7。單片機由220 V的AC電源轉化為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線為6條：①紅黑AC220 V電源；②綠色（關閥）；③黃色（開閥）；④藍色（公共）；⑤NC4～20 mA輸出；⑥空置（可擴展）。加大液化氣流量時就需開閥就要接通黃色開閥線。反之就需要接通綠色關閥線，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，通過開關電源轉化后變?yōu)?2 V電源為單片機供電，非接觸式紅外測溫儀并聯(lián)共用12 V電源，接觸式紅外測溫儀輸出電壓經(jīng)過分壓后串聯(lián)電位器后接入單片機P1.2 AD轉換引腳。

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

2.3 單片機主程序（部分）

#include＜stc15.h＞

...

main（）

{

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

unsigned char i，n，j;

unsigned int ad1，sdwd，sswd，sum;

...

while（1）

{

...

sswd=ad1*7/10; //模擬量與實際溫度轉換1023對應700°

/*閥門實時控制*/

i（fsswd＞sdwd+30）

{fmg=0;fmk=1;} //閥門關

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

/*oled顯示 */

...

}

}

3 實驗驗證

先把軟管和接口對接完畢后接入液化氣，接口纏上生膠帶避免泄漏。實驗開始，溫度控制系統(tǒng)通電，非紅外測溫儀檢測到溫度低于設定溫度，且低于設定溫度超過±30℃的緩存溫度，電控球閥開始打開，氣體開始從噴槍噴出，點燃氣體后用非接觸式紅外測溫儀對準被加熱的部件，并觀察OLED顯示屏上的溫度，如圖7所示。

實驗驗證加熱對象為金屬，其吸熱和散熱能力強導致溫度波動較大，造成在溫度控制前期，對溫度的控制速度慢、波動大，實驗過程溫度變化如圖8所示，當金屬部件溫度升高后，溫度控制才開始變穩(wěn)定，并最終接近設定溫度（200℃），考慮到測溫誤差和火焰加熱金屬的波動性，工件溫度維持在設定溫度±5℃即為合格。

圖8 設定溫度200℃時實驗過程溫度變化

4 結語

設計的一種液化氣溫度控制系統(tǒng)并實現(xiàn)了其主要功能。基于單片機控制的溫度控制系統(tǒng)，通常以單片機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，可實現(xiàn)設定溫度±5℃范圍內(nèi)的溫度控制。