晶体退火炉温度智能控制研究

崔京华

（河北化工医药职业技术学院机电工程系 河北省石家庄市 050026）

根据笔者的调查和了解，发现当前我国冶金和机械制造等相关领域所使用到的退火炉有着多种形式，但是从使用燃料的角度来划分，其可以划分为电炉、燃气炉和燃油炉三种类型，其中电炉所占比重最高，可占据整体的百分之八十左右。但无论是何种退火炉，其退火控制的核心都是温度控制，温度控制是最为关键的热处理质量控制技术措施之一，通过对温度的智能控制，其不仅仅可以在很大程度上消除其中存在的诸多不稳定因素、提高热处理质量，而且还能够大大提高温度控制的精确度，也可以更好地满足特殊材料对于热处理的需求。以下是笔者结合自己多年相关工作经验，就此议题提出自己的几点看法和建议。

1 研究晶体退火炉温度智能控制的意义

近些年，伴随着资源短缺以及生态环境破坏程度的不断加剧，大众对于生态环境的保护以及资源的高效利用表示出越来越高的关注度。晶体退火炉采用自动化与智能化技术来控制温度，对于生态环境的保护来说至关重要。晶体退火炉的温度智能控制是依靠先进的智能化技术来对温度进行精准调控，确保温度保持在一个稳定的状态下，进而确保产品的质量。晶体退火炉的炉温是呈动态波动趋势的，如果炉内温度比较低，那么其便不能够达到退火的目的，而如果温度比较高，那么其也很有可能出现烧制过度的情况，晶体退火炉的智能温度控制能够更好地满足生产过程中对钢材温度上升曲线的更高控制。

采用智能化手段来控制晶体退火炉的温度，进一步优化控制退火炉的生产过程和自动工艺管理控制，在生态环境保护中的作用具体体现在以下几个方面：首先，智能化温度控制方式和手段可以有效缩短生产的周期，提高产品的质量和产量，这样一来，其不仅仅可以有效降低因为人为因素影响导致的废品率过高的问题，而且去也减少了不必要的资源耗费，降低了环境污染程度。其次，晶体退火炉在完成热处理之后必然会产生废气，这种废气对于自然环境的污染和危害程度非常大，如果不能较好地控制和调节所需温度，那么，退火炉里面的燃料很容易出现欠氧燃烧的情况，燃料燃烧不充分必然会造成大量黑烟的产出，但是如果燃烧过度充分，又有可能会产生一系列有害气体，诸如氮氧化合物等等，这些都是危害自然环境的重要来源。因此，晶体退火炉温度智能控制可以通过温度的精准调节来有效控制燃烧程度，确保燃烧能够在科学合理的空燃比下进行，由此产生的环境污染程度自必然会大大降低[1][2]。

2 研究晶体退火炉温度智能控制的目的

晶体退火炉作为石英晶体元件生产专用设备，其价值和作用是要消除加工过程中晶体因为加工应力所产生的表面缺陷。晶体退火炉拥有两个真空室，而且每一个真空室都是相互独立的关系，各自拥有着各自的控温区，彼此之间并不影响。在真空室的诸多控温区当中对于温度的控制要求也是有所不同的，一般情况下会根据实际加工和生产需求选择在150 度到300 度之间设定一个恒温值，温控精度上下浮动两度即可，炉温均匀度需要控制在上下五度之内。之所以要对晶体退火炉温度进行智能控制，维护好炉内温度，是因为晶体退火炉与普通退火炉不同，其对于真空度的要求是非常高的，而且晶体退火炉只能通过辐射传热，并不能通过对流或者传导的方式来实现传热，因此，其必须要通过温度的智能控制才能够高效控制和解决好退火炉炉膛温度中存在的响应速度慢、温度分布不均匀、较大超调量以及工件温度滞后严重等问题。

3 晶体退火炉温度智能控制研究

3.1 晶体退火炉温度控制系统设计方案

该晶体退火炉温度控制系统设计方案，意在通过更具科学性和简洁性的方式来实现对退火炉温度的智能控制：该方案选用的是电热丝加热的方式，通过巡回检测退火炉内的温度以及综合考量测量到的温度采样值和系统给定值来随时启动、关闭和调节电热丝加热开关和温度。选用的是控制器是单片机，4 个键盘，最少拍无波纹控制器来选择和控制温度值，三维LED 显示炉内温度。

3.2 晶体退火炉温度控制系统组织结构

如图1所示，晶体退火炉使用的是电热丝来进行加热，可设定的温度范围是0 到1000 摄氏度；利用热电偶来检测炉内温度，经变送器转变成为合适的电压信号再通过A/D 转换器来转换成为数字量；再将经过数字滤波之后的数字量送入CPU 作为本次采样值。进而通过设定值以及测量得到的温度值进行综合考量之后再确定是不是要启动电热丝。

该晶体退火炉温度智能控制系统的设计主要涵盖五个主要部分，分别是核心控件、温度检测、复位电路、按键以及LED 显示电路。其中，核心控件选用的是AT89C51 单片机作为主要组成部分，发挥主要控制功能，是晶体退火炉温度智能控制系统当中的核心部分[3][4]。

3.3 晶体退火炉温度控制系统硬件组成部分

该晶体退火炉温度控制系统硬件主要由四个部分组成，分别是：

（1）以AT89C51 为中央处理器的最小系统，其控制着整个系统的运行，诸如上下限报警、采集和处理数据信息以及把持炉温定值等等多属于该部分的控制范畴。考虑到AT89C51 地址线可能存在不足的情况，研究人员还选用了高端译码器来对高位地址进行了译码，把译码器输出作为片选线。

（2）由显示器、键盘以及8155 共同组成的操作平台，第二部分的核心是8155，其不仅仅给AT89C51 提供并行接口，而且连接键盘和显示器。平台上面显示的是平均温度，当平均温度和上下温度进行比较，如果平均温度超出上下温度，那么指示灯则会显示红灯报警，但如果没有超出既定范围，那么指示灯则显示绿灯，代表运行正常。

（3）检测部分，检测环节使用到的组件包括退火炉、变送器、热电偶、放大电路以及ADC0809。温度信号通过电热偶转变为电信号，然后再及鞥过变动器和放大点路转变成为安全电压信号传送到A/D 转换器，最终由ADC0809 把数字量送入到AT89C51，实现数据处理效果。

（4）执行机构，由DAC0832 将数字量转变成为模拟量，经过运算放大器再把 模拟量转变成为电压信号，通过电压信号的方式进入到模拟执行器件当中，执行器件会根据命令来调控阀门的开度，进而设定煤气的输入量，最终实现智能控制温度的目标。晶体退火炉温度控制系统工作原理图如图2所示。

3.4 AT89C51和存储器之间的连接

该系统会使用到两种存储器，即程序存储器和数据存储器，这两种储存器在具体使用过程中是存在着严格区别的，程序储存器主要被用来存放程序指令和各种表格、数据信息等，而数据存储器则主要被用作存放缓冲数据，所以二者绝不可混合使用。

在该系统的设置当中，AT89C51 与存储器之间的连接如下：在ALE 是高电平的情况下，P0 口的输出地址要低八位，而P2 口的输出地址要高五位。在ALE 下降沿将P0 输出的低八位地址锁存到外部地址锁存器当中，然后P0 口由输出转变成为输入方式，P2 口的高五位不变，并且转变为低电平有效[5]。

3.5 键盘电路的设置

该温度智能控制体系当中采用的是行列式键盘，既矩阵式键盘，按键设置在了行列的交点上面。之所以要采用这样的设计方案，是因为该系统中使用键盘的次数是非常多的，这种方式可以在很大程度上节省I/O 口线。

3.6 键盘显示电路的设计

研究人员关于显示电路的设计，选用的是8155 芯片，8155 芯片在拓展接口电路中有着非常强的实用性。8155 芯片不仅仅是通用I/O 口，而且还可以是片外256 字节RAM 及计数器。除此之外，8155 芯片还有一个先天优势，那就是其和AT89C51 单片机的连接也更加简单，其自身便有集地址锁存器，因此，8155 芯片不再需要使用外接地址锁存器。

3.7 显示电路的设计

单片机的输出设备选用的数码显示器，数码显示器可以更加清晰地显示中间信息、单片机的键输入值以及运算结果，工作人员因此可以更加清楚地观察和监视单片机的实际运行情况。当前比较常用的数码显示器主要有两种，分别是LED 和LCD。该系统中最终确定的是使用八段发光二极管显示器LED，动态显示方式，之所以选用这种显示器，是因为其可以配合分时轮休选通数码管的公共端，确保各个数码管都能够轮流导通。选用八段发光二极管显示器LED不仅仅在一定程度上提升了数码管的发光效率，而且其各个数码管的字段线都是并联的，由此硬件线路可以得到很大的简化。

3.8 D/A转换电路设计

该系统选用的是美国数据公司的8 位双缓冲D/A 转换器——DAC0832，该转换器自身便带有数据锁存器，其可以和常用的各种微处理器直接接口，芯片接口也非常简单，转换控制很容易，价格也不高。除此之外，DAC0832 转换器有着非常强的温度跟随性，其可以适应和承受的温度范围非常广。

3.9 A/D转换电路的设计

该系统选用的是ADC0809 逐次逼近式A/D 转换器，ASC0809共有八个通道的模拟量输入线，在程序有效控制的情况下，其可以对任意通道进行转化，最终得到八位二进制数字量。

3.10 电源电路设计

晶体退火炉温度智能控制对于电源的稳压效果要求非常高，因此，在电源电路要求方面研究人员会非常重视电压的范围，在选择相关设备时也会重点关注到电压这一点。通常情况下，绝大多数芯片正常使用时的电压范围是在4.9v 到5.1V 之间，研究人员为了更好地确保系统的顺利运行，选择单独增设了5V 的电源，设计成三端集成稳压器7805。该系统中研究人员设计的电源需要经变压器变压降低到35VA 以下，再经过整流使其接近于直流，然后由电容滤波和三端稳压器7805 转化成为5V 的直流电。

图1

图2：晶体退火炉温度控制系统工作原理图

4 结束语

综上所述，晶体退火炉温度智能控制研究工作有着非常强的必要性，到目前为止投入使用的温度智能控制系统虽然呈现出比较理想的使用效果，但是其还存在着非常大的上升空间。未来晶体退火炉温度智能控制系统的研究工作应该继续坚持以强功能、低价格、实用价值高以及操作简便等为主要目标，在设计过程中充分考量多方面因素，在确保温度控制实际需求的基础上更要积极迎合社会新形势的发展需求，在确保自身效率的同时关注到生态环境的保护，正确早日实现经济效益与社会效益、生态效益多方完善的理想效果。