液化气加热温度控制系统设计与实现
时间：2023-01-20 19:35:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吴家福，欧阳崇伟，吴忠祥
（贵阳学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550005）
在工业生产过程，特别是金属制造过程中加热温度的精准控制是个难题，生产过程中温度的准确性直接影响到产品的质量[1]，在生产过程中，实时采集并传输运用温度数是温度控制系统需要解决的问题[2]。李裴等[3]基于STC单片机设计并实现智能化病房温控系统。李玉全[4]设计了一种热水和冷水混合控制器提高混水阀的控制精度和稳定性。刘奕雯等[5]基于STM32的智能温度控制系统实现房间内温度的无线远距离监测及智能控制。潘丽[6]采用单片机与DS18B20以及LCD1602等模块实现温度的监控与报警。关朴芳[7]开展了基于单片机STC89C52的智能温度控制器的硬件设计。单片机也常被用于水温调控[8-10]和温度监控[11-13]，中药行业也有应用[14，15]，甚至用于疫情防控中的温度采集。可见，使用单片机控制温度是一种常见的方法，单片机用于温度的采集和控制，价格便宜、使用方便、性能可靠。
本文将开发设计一种针对金属制造的温度闭环控制系统，金属表面温度是被控制的对象，利用单片机作为控制器和比较器，单片机对非接触红外测温模块读取到的温度数据和单片机里储存的设定温度数据进行比较后，对调节装置进行调节，调节液化气的喷出量，从而控制加热工件的表面温度。
本文所设计的温度闭环控制原理示意如图1。在单片机上设定温度，单片机向流量调节装置发出指令，输出液化气后点燃加热部件，非接触式红外测温器测量部件温度，并将所测温度实时传输回单片机与设定的温度进行比对，当所测部件温度小于设定温度时，则加大流量供给，反之则减少流量供给，从而达到控制温度目的。由此可见，液化气流量调节装置采用何种方式对温度调节效果有重要影响。
图1 液化气温度闭环控制原理
选用常用液化气喷枪，喷枪不做改动，只将其阀门常开到最大，在液化气罐与喷枪之间连接一个电控球阀，液化气的输出量由电控球阀控的开度决定，电控球阀的开度又由单片机将检测到的温度和设定的温度进行比较后输出信号来控制，图2为液化气加热温度控制系统示意图。
图2 液化气加热温度控制系统
温度检测模块为非接触式红外测温仪，非接触式红外测温仪检测温度后反馈的是0～10电压信号，分别对应0～700℃。液化气在燃气灶里燃烧的温度约为950℃，本实验为正常大气环境，其温度低于燃气灶里燃烧的温度，另外也可调整火焰距离达到降温目的。因此，非接触式红外测温仪0～700℃的温度量程完全符合要求。
2.1 温度采集模块
2.1.1 非接触式红外测温仪
选用的是SAX0AC/BC/CC系列在线红外测温仪，非接触式红外测温仪对温度的检测分为四个阶段：启动、读取温度、转化为电信号输出、单片机读取并转化。其主要参数为：测温范围0～700℃；
光学分辨率20∶1；
响应时间200 ms；
精度为±1℃；
红色线12～24 V DC电源正；
黑色线12～24 V DC电源负；
蓝/白色线信号4～20 mA+：0～10 V+；
蓝/白色线信号4～20 mA+：0～10 V+；
橙/蓝色线信号4～20 mA-：0～10 V-；
透明采用屏蔽线。
红外测温仪采用12～24 V的DC电源，单片机读取蓝/白或橙/蓝信号线的信号（4～20 mA信号或者0～10 V信号），并用对应关系把4～20 mA信号或者0～10 V信号和0～700℃对应上。
2.1.2 AD转换串联电阻降压
单片机需要读取非接触式红外测温仪的电压信号，需进行AD转换，STC15单片机有内部的AD转化模块。非接触式红外测温仪的输出电压信号为0～10 V单片机的参考电压为5 V。这样就需要对输出电压进行串联电阻降压，降压电路如图3所示。
图3 电阻降压电路
2.1.3 温度的校准
单片机内阻以及参考电压不准确等情况会导致读取的电压型号会出现误差，要用电位器对读取到的温度进行校准。电位器由输入端、输出端和电刷组成，类似于滑动变阻器，只不过电位器是转动。
2.1.4 OLED12864
OLED12864用来显示采集到的温度，如图4所示。显示屏数据传输接口连接单片机的P3.0、P3.1引脚，非接触式红外测温仪器的信号输出线通过串联电阻分压后连接P1.2引脚，可见图7。单片机由220 V的AC电源转化为12 V的DC电源供电。电控球阀的供电为220 V的AD电源供电，OLED由5 V的DC电源供电。
图4 OLED显示屏
2.2 气体流量控制模块
2.2.1 电控球阀的使用
选用电控球阀作为液化气流量大小的控制执行元件，是电控元件和执行元件为一体的阀门，阀门的控制由220 V的AC电源、公共端、开阀端、关阀端组成，如图5（a）所示，电控球阀的电源AC220V、带载荷额定功率20 W。
如图5（b）所示，电控球阀引出的信号线为6条：①红黑AC220 V电源；
②绿色（关阀）；
③黄色（开阀）；
④蓝色（公共）；
⑤NC4～20 mA输出；
⑥空置（可扩展）。加大液化气流量时就需开阀就要接通黄色开阀线。反之就需要接通绿色关阀线，需保持不变则两条线都断开。
图5 电控球阀
2.2.2 控制系统原理
液化气温度控制系统原理如图6所示。
图6 温度控制系统原理
液化气温度控制系统整体由220 V的AC电源供电，通过开关电源转化后变为12 V电源为单片机供电，非接触式红外测温仪并联共用12 V电源，接触式红外测温仪输出电压经过分压后串联电位器后接入单片机P1.2 AD转换引脚。
电控球阀由220 V的AC电源供电，公共端接地，开阀端和关阀端分别接入单片机P3.3和P5.4引脚，OLED12864由5 V电源供电，两个信号端接入单片机P3.0和P3.0引脚。
2.3 单片机主程序（部分）
#include＜stc15.h＞
...
main（）
{
unsigned char temp[20]; //定义显示区域临时存储数组
unsigned char i，n，j;
unsigned int ad1，sdwd，sswd，sum;
...
while（1）
{
...
sswd=ad1*7/10; //模拟量与实际温度转换1023对应700°
/*阀门实时控制*/
i（fsswd＞sdwd+30）
{fmg=0;fmk=1;} //阀门关
i（fsswd＜sdwd-30）
{fmk=0;fmg=1;} //阀门开
i（fsswd＜sdwd+30&&sswd＞sdwd-30）
{fmg=1;fmk=1;} //阀门既不开也不关
/*oled显示 */
...
}
}
先把软管和接口对接完毕后接入液化气，接口缠上生胶带避免泄漏。实验开始，温度控制系统通电，非红外测温仪检测到温度低于设定温度，且低于设定温度超过±30℃的缓存温度，电控球阀开始打开，气体开始从喷枪喷出，点燃气体后用非接触式红外测温仪对准被加热的部件，并观察OLED显示屏上的温度，如图7所示。
实验验证加热对象为金属，其吸热和散热能力强导致温度波动较大，造成在温度控制前期，对温度的控制速度慢、波动大，实验过程温度变化如图8所示，当金属部件温度升高后，温度控制才开始变稳定，并最终接近设定温度（200℃），考虑到测温误差和火焰加热金属的波动性，工件温度维持在设定温度±5℃即为合格。
图8 设定温度200℃时实验过程温度变化
设计的一种液化气温度控制系统并实现了其主要功能。基于单片机控制的温度控制系统，通常以单片机控制加热元器件的方式控制温度，而控制温度的方法是采用控制液化气流量大小的方法控制温度，方法较为新颖，可实现设定温度±5℃范围内的温度控制。
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