基于冶金技術的加熱單片機控溫系統設計

黃小琴

（廣東生態工程職業學院，廣東 廣州 510520）

單片機是一種典型的嵌入式微控制器，相當于一個微型的計算機[1]。由四部分構成：運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備。從上世紀的八十年代起，隨著單片機技術的成熟，它逐漸滲透至工業探測、開采、生產、處理環節。在現代化冶金生產提純過程中，通常使用現代化技術，使用計算機技術與自動化儀器相結合的方法，通過設定控制工業活動參數對工業生產數據進行采集、運算、顯示和控制。

利用電渣加熱方法對鋼渣進行加熱和精煉是冶金工業的一大發展。現有的液態電渣冶金技術的最基本的特征是采用導電結晶器技術，通過使用非自耗電極實現對熔渣的加熱。通過對熔液溫度的控制，保證熔渣中間包中溫度，使液態金屬具有和電渣重熔過程相似的溫度分布特征，進而可以得到電渣重熔相似的凝固組織[2]。其中間技術要點包括：金屬燒熔中間包液態金屬加熱與保溫、控制液態金屬澆注流量、保護澆注金屬純度、精準液面控制。使用該方法需要有效加熱的同時還需要精準控制溫度，使用加熱單片機控溫系統可以實現上述要求，以下就是基于冶金技術的加熱單片機控溫系統設計。

1 系統結構框架

首先系統要通過外接鍵盤，對溫度參數進行設置，設置保溫和加熱臨界值。控溫過程是利用溫度傳感器采集溫度信息，將采集的溫度信號調理后送入單片機進行計算比較。然后通過單片機輸出信號來調節可控硅的觸發時間進而控制加熱時間。同時系統要把采集的溫度參數送到顯示器上進行實時顯示，以便工作人員觀測。當所采集到的溫度信息值超過設定的臨界點時，系統會觸發報警裝置，做出警告。設計的加熱單片機控溫系統整體設計框架如圖1。

圖1 系統結構框架

2 系統硬件設計

系統整體硬件電路的設計要以單片機為控制核心，將各功能模塊電路與單片機功能端口連接，形成整體功能電路，選用的單片機內部集成A/D功能，這樣在外擴系統時不需要單獨設計A/D功能模塊，減少整體電路的冗余度和復雜度。由于該功能模塊的復用能力好，在一定程度上降低了制作成本。

輸出設備采用傳統獨立按鍵鍵盤，顯示模塊中顯示器通過8位數碼管實現實時溫度顯示。輸出和顯示功能作為單片機控制系統的常用功能[3]，通過簡單的設計，移植性和操作性很強。報警電路選用發光二極管和蜂鳴器，在溫度、壓力超出最大限時實現聲光報警。由于系統實現控溫度和顯示的過程需要采集、接收大量的信號、數據，控制過程需要產生大量運算數據，因此數據存儲模塊設置也很有必要。數據存儲模塊能夠將運算數據實時保存，方便控制器調用。 實現溫度控制功能，有效測溫是關鍵。選擇傳感器時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩定性等條件。熱電阻和熱電偶都有裝配簡單，更換方便，測量范圍大，機械強度高，耐壓性能好等特點。

3 系統軟件設計

（1）溫度測量模塊。本文設計的加熱單片機控溫系統基于SiliconIDE軟件開發環境。SiliconIDE集成開發環境是一套完整、獨立的軟件程序，操作簡單，使用方便，內置開發測試所需工具，支持本設計中內部集成A/D功能的單片機系統，在此平臺上完成控溫系統程序編寫、調試。

本單片機控制系統中測量對象是溫度，通過測溫電路后變為微弱的模擬電信號，該信號通過A/D模塊的增益放大、濾波處理并轉化為單片機可識別的數字信號，再通過PID線性溫控法實現溫度PID控制。由于大型冶煉中，金屬溶液的溫度變化速度比較慢，因此PID采樣周期T設為90s;然后把PID控制器的控制量輸出作為PWM波占空比的輸入，通過PID輸出的控制量調整PWM波占空比的大小，PWM波的周期設為5分鐘;從而控制加熱工作的可控硅的通斷時間，以實現對液態金屬溫度的控制。

使用PID計算的重要代碼如下∶

typedef struct PIDPParament

{float AK[3];

float XK;//設定值

float KG;//比例常數

float KI;//積分常數

float KD;//微分常數

float UK;//輸出控制量}PID;

void PIDcaculate(PID*P,float YK)

{float q0=0,ql=0,q2=0,Tl=0,T2=0;

q0=(*P).KG+(*P).KI+(*P).KD;

ql=(*P).KG-2*(*P).KD;

q2=(*P).KD;

Tl=(*P).XK-IK;//AK=設定值XK一測量值YK}

在系統軟件的設計中，為了提高所采溫度值的準確性，加入了軟件濾波程序，由系統中A/D轉換器實現。A/D轉換器是單片機中的10位微控制器。當啟動A/D轉換器后，數據連續進行12次的A/D轉換，這12次轉換的的數據會存入存儲設備的計算單元中，經過排序，去除最大值、最小值，然后取剩下的10個數值的平均值。

（2）溫度控制模塊。本系統中采用PID線性溫控法進行溫度控制，基于PID調節器控制原理，其算法經過長期的驗證證實簡單、可靠，用軟件計算方法實現PID調節功能。此外PID控制器模型中考慮了系統誤差、誤差變化及誤差積累三個因素[4]，整體的控制精度高、效果好。

由于溫度傳感器有可能意外故障，導致溫度測量值不準確，系統可能會做出不正確的反應機制，有可能會破壞冶金作業，造成不必要的經濟損失。所以首先要進行相關數據記錄，對比發現突變溫度數據，觸發溫度傳感器故障檢測程序運行。然后在故障排除后利用溫度控制算法來計算溫度變化控制量，如果該值超過一個最大控制量，為了提高加熱速度，系統會省略PID算法，開啟全速加熱控溫[5]。至此，基于冶金技術的加熱單片機控溫系統設計基本完成。

4 實驗論證分析

為驗證設計的基于冶金技術的加熱單片機控溫系統的有效性，進行了實驗論證。實驗對象為相同類型、同等狀態的的金屬熔渣，均采用液態電渣冶金技術加熱，一種使用新系統進行溫度控制，另一種使用傳統方法控溫調節。最后統計兩種方法的冶金效率，其實驗論證結果曲線如圖2所示。

圖2 實驗論證結果曲線

由圖2實驗結果可知，使用新設計的加熱單片機控溫系統進行金屬液態冶練的效率比傳統方法效率更高。另一方面，通過自動化控溫能夠精準保證金屬冶練溫度條件，提高出產金屬的純度。

5 結束語

本文對現階段我國金屬冶練技術進行分析，針對液態電渣冶金技術中溫度控制的需求進行加熱單片機控溫系統整體設計。經系統硬件設計和溫度測量、控制模塊軟件設計完成系統的整體設計，并且經過實驗論證證明了該系統的有效性。希望使用該系統可以有效提高冶金工業自動化水平，提高生產效率，為我國的金屬冶練提供信息化、技術化支持。