機電一體化的馬弗爐溫度控制器設計
機電一體化的馬弗爐溫度控制器設計
【摘 要】機電一體化技術是指在系統層面綜合利用機械技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、電力電子技術及軟件編程技術等群體性技術，通過合理配置與布局實現目標功能優化組織結構的技術。
而馬弗爐是高性能機電一體化中的智能產品，在冶金行業中有著廣泛的應用。
本文就如何利用機電一體化技術實現馬弗爐的溫度控制進行了討論和分析。
【關鍵字】機電一體化;馬弗爐;溫度控制
引言
在工業控制中應用機電一體化技術有如下幾方面意義：(1)面對現行的機械技術必須進行性能改善、質量減輕和精度提高的情況，必須使用機電一體化技術實現控制的快速響應，減小能耗，優化運行性能;(2)機電一體化技術能夠實現純機械技術手段所無法達到的工作目的和控制精度;
(3)微電子技術中的大規模集成電路、微型處理器等裝置可以幫助提高對產品的控制力;(4)計算機技術等的應用可以改進設備的自動化程度，簡化操作機構和操作流程;(5)軟件技術可以使機械工作實現程序化，提升其工作靈敏度，實現設備的多功能化。
(6)機電一體化技術還具有其他多種復合功能，利用這些功能能夠實現產品和系統的自動檢測與控制，以及實現智能分析等功能，進而實現產品制造的智能化。
馬弗爐又稱為箱式電阻爐，是一種通用加熱設備，被廣泛應用于冶金、機械、建材、化工等行業。
當前的冶金工業對自動化、智能化程度的要求越來越高，本文就目前情況下的冶金工業現狀對傳統馬弗爐進行改進，利用機電一體化技術實現了馬弗爐的溫度控制功能。
1 系統控制要求
本馬弗爐的機電一體化控制希望通過電子器件的控制實現慢灰、快灰、揮發分和通用四個功能，要求選擇相應的功能按鍵可以實現相應的功能并對應的指示燈變亮。
該系統當進入測試或者測試程序后，如果想裝入另一測試程序，需要通過復位或者重新上電進行重新初始化才能進行新的功能選擇。
由于每個功能的每個階段需要達到的溫度和時間都不相同，如慢灰功能要求溫度從室溫升到500℃所需時間不低于30min，在500℃恒溫30min，再從500℃升至815℃，然后保持恒溫。
可以看到，若采用人工控制方法，不僅很難控制溫度和時間以達到要求，還限制了操作人員進行其他工作。
此時機電一體化技術的控制性能優勢就體現出來了。
2 系統工作原理設計
實際使用中需要馬弗爐實現在規定時間內進行加熱或者保溫等功能，如果利用機電一體化技術實現該功能可以保證溫度控制的準確性和靈敏性，還能節省一定的人力成本。
本系統硬件由以下幾部分電路組成：AT89C52單片機、溫度檢測和控制電路、溫度-電壓轉換電路、顯示及報警電路、時鐘電路、鍵盤電路等，如圖1所示：
圖1 馬弗爐溫度控制系統硬件實現框圖
本系統利用K型熱電偶構成的溫度檢測電路能夠將馬弗爐的溫度通過高精度的集成芯片MAX6675轉換為相應的電壓信號，實現信號數字化，然后將數字信號與單片機的I/O接口直接進行對接，這種數據傳輸方式減少了外圍電路的成本，并且由于是信號的直接傳遞，故可以保證較高的控制精度。
在單片機接收到輸入信號后，按程序對信號進行數據處理，然后將結果顯示在液晶屏上并判斷溫度是否達到要求，確定是否進行報警。
而鍵盤電路的主要作用是，根據實際操作需要進行特定功能的選擇或者特定溫度的輸入，然后通過單片機將信號傳輸到馬弗爐溫度控制電路中，在規定時間內完成規定操作。
利用該方法，還可以實現實際溫度與設定溫度的比較，通過軟件控制算法進行控制量計算，進而控制固態繼電器的導通與切斷，達到溫度調節的目的。
3 溫度控制電路設計
本系統中的溫度控制模塊主要由兩片CD4527，一片74LS221和一片MC1413相互連接構成。
鑒于過零固態繼電器具有光電隔離功能，故可以將其直接與數字電路進行對接。
本系統采用Z型SSR實現功率的控制。
該方案的優點在于其輸出電壓中所包含的高次諧波成分較傳統可控硅移相式調壓調節方式低，可以減少電磁污染。
Z型SSR中還加入了過零控制電路。
該電路是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR表現為通路;當斷開控制信號后，直到等待交流電出現正半軸與負半周的交界，也就是出現零電位時，SSR表現為斷態。
這種設計方式可以防止高次諧波的干擾，減少對電網的污染。
而利用RC串聯構成的吸收電路的引入還可以防止從電源中傳來的尖峰、浪涌電壓對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾。
根據Z型SSR的工作原理可以知道，當Z型SSR在1s內全導通時，其觸發頻率為100Hz，輸出交流電壓波頭數為100;當Z型SSR在1s內全關斷時，其觸發頻率為0Hz，輸出交流電壓波頭數為0。
利用該系統使用的控制算法獲得1s內出現的波頭數，然后將波頭數的十位和個位分別傳遞給P2口的高4位和低4位，也就是利用CD4527的BCD輸入數來控制電路的交流輸出，利用輸出波形控制Z型SSR的開與斷，最終實現改變馬弗爐的輸入功率的目的，使馬弗爐溫度達到預設值。
部分程序代碼如下：
4總結
鑒于機電一體化在控制方面具有很強的優勢，如不需要過多的人力成本，控制的準確度和靈敏度均具有非常高的水平等，本文提出了一種基于單片機和溫度傳感器的機電一體化控制方案，實現了對馬弗爐溫度的自動化、智能化控制。
該方案以單片機為核心，具有很多功能擴展模塊，結構簡單，操作方便，功能齊全，具有良好的應用前景。
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