硅碳棒电加热温度控制器的设计开题报告

1. 研究目的与意义

温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一。在化工、冶金、医药、航空等领域里，对温度的控制效果直接影响到许多产品的质量及使用寿命，因此，温度控制成为各个领域中的一项关键技术，研究高性能的温度控制器具有重要意义。硅碳棒是用高纯度绿色六方碳化硅为主要原料，按一定料比加工制坯，经2200℃高温硅化再结晶烧结而制成的棒状、管状非金属高温电热元件。硅碳棒使用温度高，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性。与自动化电控系统配套，可得到精确的恒定温度，又可根据生产工艺的需要按曲线自动调温。使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。现已广泛应用于电子、磁性材料、粉末冶金、陶瓷、玻璃、陶瓷、半导体、分析化验、科学研究等高温领域，成为隧道窑、辊道窑、玻璃窑炉、真空炉、马弗炉、冶炼炉以及各类加热设备的电加热元件。温度控制的关键在于测温和控温两方面，温度测量是温度控制的基础。在温度测量方面，技术己经比较成熟，而在温度控制方面，还存在着许多问题，人们还在寻找着更好的控制方法以提高控制性能。从工业温度控制器发展过程看，大致可分为三代:：第一代温控器为定值开关控制，其方式是利用机械和电气开关，当系统温度达到事先设定的温度时，对加热源进行通断控制。目前，这种控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。第二代温控仪是采用PID方式控制的设备，它包括了采用逻辑电路的电动PID和微计算机软件PID控制调节方式，由于PID调节模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累两个因素，因此，其控制性能大大地优越于第一代控制方式。PID控制的品质的好坏，主要取决于三个系数，即比例值、积分值、微分值。自动调整参数的方法，即参数的自学习，自整定方法等。具有自适应功能。硅碳棒电加热温度控制器的可靠性高、精度高、操作简单、功耗低、成本低。所以本系统的设计是十分必要的。

2. 国内外研究现状分析

在国内，早在一九七一年初为了适应加温再生分子筛的需要,我们在试制了一台新型的硅碳棒电加热器,代替原来的电热丝电炉。经两年多来的使用证明,用这种新型的硅碳棒电加热元件加热再生氮气是可行的。运用硅碳棒电加热器使热量得到充分利用,提高了电炉的效率。硅碳棒电加热器功率的大小可视氮气出口温度高低,根据需要由调压器进行调节，这样使用就比较方便。目前国内温度控制器相对国外温度控制器而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，控制算法的不足导致控制精度不稳定。但在价格方面，国内的温控仪相对来说要便宜一些。随着时代的进步，传统的传感器已经不能满足现代工农业生产、国防等的要求。20世纪70年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断被开发出来。人们对温度过程控制的要求也越来越高，具体表现在温控的精度、稳定性、可靠性和多功能性等方面。传统的国产温控设备已经不能满足这些要求，特别在一些精密器件的生产线和标准检测领域方面，经常需要配套相应的测温设备。在一些测温产品实现标准化、保证产品质量的过程中，就需要提供更高要求的温度控制仪。目前绝大多数国产产品无法满足要求的情况下，只能从国外引进，这严重阻碍了我国现代化建设事业的发展。为此，国内许多科研机构及厂家纷纷投入这类温度控制器的研制和生产。近年来，已取得了许多可喜的成果。

3. 研究的基本内容与计划

我们这次要求设计一个使用硅碳棒电加热炉的温度控制器。可根据给定的温度，调节硅碳棒的控制电压，从而调节温度，实现温度的闭环控制。温度通过通讯方式传入系统，硅碳棒电源电压为220V，功率10kw，使温度调节范围在0～1300度。要求选择MCU，设计调节系统的单片机部分、数据通讯部分，功率调节部分和系统保护部分的原理图。基本完成制作和调试由MCU控制的功率调节电路，设计系统的PCB板，设计相应的控制程序。当温度控制系统开始工作后，感温元件感受所测环境或者元件的温度高低，并将热信号转变为电信号传给温度控制仪，温度控制仪将收到的电信号与控制指令相比较。当满足控温范围时，设在温度控制仪内部的接触器不动作，当信号超出范围时，接触器动作，从而给电阻加热通电或断电，使得被加热元件温度升高或降低。我们还需完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。我们希望设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括硅碳棒，温度传感器，A/D转换模块，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节电路等部分。整个系统的核心是进行温度监控，完成课题所有要求。（1）通过温度传感器采集硅碳棒电加热炉中的当前温度值，并在显示器上显示出当前硅碳棒电加热炉内的温度值。（2）设计键盘给定，通过键盘按键给定要控制的硅碳棒电加热炉中的目标温度（3）设计控制电路，对硅碳棒电加热炉的断电状态进行自动控制，采用通断控制电路，控制占空比，实现PWM控制算法，使硅碳棒电加热炉中的温度稳定在设定值。（4）控制参数：温度测量范围为0~1300度，选定测量精度为1%。第1~3周查阅资料，掌握单片机设计系统方法。第4~5周进行系统方案的论证。第6~8周进行系统硬件设计，并绘制原理图。第9~10周进行程序设计。第11~12周在电路板上进行功能验证和调试。第13周系统优化。第14周撰写毕业设计报告。

4. 研究创新点

这次我们用硅碳棒电加热的温度控制器不同于以往的温度控制器。我们采用的是硅碳棒。硅碳棒具有不同于以往电热丝，硅碳棒电热元件高达2200℃的烧成温度，赋予了它良好的耐热性和抗氧化性。除了以上两点，硅碳棒电热元件的优点还有加热能力好，膨胀系数小，高温情况下不易变形，化学稳定性好、耐腐蚀等优点。硅碳棒电热元件的使用寿命长，易于安装、便于维修。硅碳棒电热元件能够与自动化控制系统配合使用，得到精确的温度控制效果，保持温度恒定，使本系统的设计更有意义。硅碳棒电热元件在与控制系统搭配后，还能根据生产需要，按照控制曲线任意调节温度。氧化性气氛中硅碳棒的正常使用温度可达1450℃，连续使用可达2000小时。由于硅碳棒使用温度高，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性。与自动化电控系统配套，可得到精确的恒定温度，又可根据生产工艺的需要按曲线自动调温。使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。硅碳棒的诸多优点是本系统设计的一大特色与创新。