基于PIC单片机的全自动退火炉控制系统的设计

孟 烨，庆 鸽

（中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，洛阳471039）

随着我国金属3D 打印技术[1]的飞速发展，金属打印件的产量越来越高。 由于金属3D 打印完成后会存在很多缺陷[2]，如间隙缺陷和材料本质的物理性能缺陷，产品内应力过大、硬度不够、可塑性低等实际性能问题，直接切割会产生外形尺寸变形，因此在产品对外形精密度要求较高的情况下需要先进行热处理[3]。 气氛退火炉的作用是消除金属3D 打印零件内部的孔洞缺陷，提高零件的致密度。 不同金属的退火温度和气氛环境都不同，相对活泼的金属为防止二次氧化，需要在氧含量极低的惰性气体或者真空环境的保护下进行退火处理。

准确的温度控制和氧含量控制是决定退火效果的关键因素。 测量温度不准会导致烧结温度过高或过低，无法达到预期硬度和应力释放的效果；如果氧含量控制不到位，金属在热处理过程中极易氧化，影响其表面质量。 对此设计了基于PIC 单片机的全自动退火炉设备控制系统。 设计时，采用全自动控制[4]的设计思路，加入氧传感器[5]，只需要通过触摸屏在程序页面上对不同材料的热处理要求进行设置保存，在运行页面点击运行即可对整个热处理过程按照所设置的程序进行全自动控制。

1 气氛退火炉控制系统设计

全自动气氛退火炉控制系统[6]结构如图1所示。该系统包括温度控制系统、气氛控制系统、电量采集、物联网、触摸屏操作等。

图1 退火炉控制系统Fig.1 Annealing furnace control system

1）温度控制系统 包括温度采集和加热系统。其中，以热电偶作为温度采集的输入元件；加热系统通过4～20 mA 信号控制可控硅触发板的输出来调整可控硅的导通角，以使通过发热元件的电压发生变化，从而调节发热元件的输出功率，进而调节温度的变化。 温度控制系统采用PID 算法[2]来进行精确地温度控制。

2）气氛控制系统 包括压力采集和压力控制。使用单电源供电的摩托罗拉压力传感器MPX2200 进行压力采集，采集范围为±0.1 MPa，采集精度±0.25%，使用OX-1 氧传感器，检测氧浓度范围为0～25%。压力控制分为负压控制、正压控制以及放气控制。 负压控制是指对炉腔抽真空；正压控制是指向炉腔充入惰性气体；放气控制指排放炉腔内的气体。

3）电量采集系统 包括进电电压采集、发热元件电压采集和发热元件电流采集。经由AC-DC 转换芯片LTC1966 把交流信号转化为直流，再输入进CPU 进行采集。

4）物联网 其功能是单片机通过RS232 协议与WiFi 模块进行实时通讯，可以对系统设置参数、程序设置以及当前状态进行双向传输和控制，并可通过相应开发的手机App 进行操作。

5）触摸屏 其功能是单片机通过RS232 协议与触摸屏进行实时交互，可以通过触摸操作对系统参数、程序、时钟、报警信息、运行状态等功能进行显示和设置，能够更直观地观测到系统的运行状态。

2 系统硬件设计

退火炉电气控制系统的硬件设计如图2所示。该系统采用微芯（Microchip）公司的高可靠性8 位PIC18F46K42 系列的单片机[7]作为控制核心，以此负责程序运算、输入采集、输出控制转换、外部通讯等。

图2 气氛退火炉电气控制系统硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of electrical control system of atmosphere annealing furnace

由于气氛退火炉退火的关键是控制炉腔内的温度与氧含量，故该系统温度采集元件选用中低温准确性高的S 型热电偶，并加入氧浓度传感器用以检测炉腔内氧含量，通过高精度的12 位AD 输入进单片机进行计算。

该系统采用单电源5 V 供电。 模拟量采集输入包括电量计算、热电偶采集、气压采集、氧含量采集等； 数字量输入包括门限信号采集、WiFi 模块状态输入、环境温度输入等；数字量输出包括气缸控制、风扇控制、电磁阀控制等。 触摸屏和WiFi 模通讯采用RS232 方式。

2.1 热电偶信号采集

热电偶采集电路如图3所示。 信号先经过滤波，过滤掉空间通多热电偶补偿导线带进来的干扰信号，然后对信号的电平进行抬高，以消除后面运算放大器对小信号放大时的死区。 此处，运放选用MCPV6V01，零温漂轨到轨运算放大器降低环境温度变化时的影响及小信号放大的死区，输入到CPU进行AD 转换采集。

图3 热电偶采集电路Fig.3 Thermocouple acquisition circuit

2.2 气氛压力信号采集

气氛压力采集电路如图4所示。 压力传感器经过轨到轨运放MCP6424 使用差分输入的方法，对信号进行放大，输入到单片机进行AD 转换，再输入单片机进行AD 转换，经过单片机程序的计算即可把实时的炉腔压力显示在触摸屏上。

图4 气氛压力采集电路Fig.4 Circuit of atmosphere pressure acquisition

2.3 氧浓度采集

氧浓度采集电路如图5所示。 氧浓度传感器串接在气路回路当中，其输出的信号经由轨到轨运放进行一级放大和跟随，再输入单片机进行AD 转换，经过单片机程序的计算即可把实时的氧浓度显示在触摸屏上。

2.4 PWM 转4～20 mA 输出

图5 氧浓度采集电路Fig.5 Circuit of oxygen concentration collection

PWM 转4～20 mA 输出电路如图6所示。单片机不能直接输出用于控制可控硅触发板的4～20 mA信号，但是可以输出PWM 波。 PWM 波先经过电路转化成模拟电压信号，再由模拟信号转化为4～20 mA信号用以控制可控硅触发板，再控制可控硅的导通角度来控制发热元件的功率输出，从而达到温度的控制的目的。

图6 PWM 转4～20 mA 电路Fig.6 PWM to 4～20 mA circuit

2.5 交流电压电流采集

交流电压采集如图7所示。 真有效值转换芯片LTC1966[8]进行AC-DC 转换以便进入单片机进行转换，LTC1966 采用Δ-Σ 技 术的真正RMS 至DC 转换，可以用最简单的电路完成转换过程，精度在0.1%之内。

图7 交流电压电流采集电路Fig.7 AC voltage or current collection circuit

3 程序流程的设计

程序流程如图8所示。 程序运行先检测门信号状态，判断门是否关严，再同时运行温度和气氛压力的控制。 气氛氧浓度的控制方法有2 种，一种是只对炉腔抽真空，该方法效率高、成本低。 另一种是洗气，即先抽真空再充惰性气体，进行几个循环，该方法可以得到氧浓度更低的气氛，但成本和时间会增加。热处理温度-时间曲线如图9所示。

图8 程序流程Fig.8 Procedure flow chart

图9 热处理温度/氧含量-时间曲线Fig.9 Temperature/oxygen content-time curve of heat treatment

步骤1设定预热阶段升温时间t1，达到预热温度T1，预热保温时间t2。 在此时间段（0～t2）内进行烘干操作，其主要作用是烘干工件表面水分。

步骤2设定升温阶段升温时间t3，烧结温度T3；在到达待退火工件氧化活泼温度点T2之前，控制炉内气氛中氧浓度含量低于设置值P0；T2之后压力值保持在（氧浓度）P0。 在此时间段（t2～t3），在达到T2前完成炉腔内去氧操作。

步骤3设定保温阶段时间t4，烧结温度T3，压力值P0。 此期间（t3～t4）是在相对无氧的气氛下对工件进行退火处理。

步骤4设定降温阶段，在降至保护温度T2之前即（t4～t5），压力值保持为P0；降至温度T2以后，压力控制解除。 在此期间（t4～t5）炉腔内也受无氧气氛保护，直至温度降到退火工件的氧化活泼点以下。

4 功能测试

所制作的PCB 电路板如图10所示。经测试，所设计的控制系统对温度的检测和控制精度小于±0.5 ℃，气压检测和控制精度小于±0.5 kPa，氧浓度（体积分数）检测精度小于±1%，各项主要控制指标均优于最低设计需求。试验中，对相对活泼的金属（纯Ti[9]）和相对不活泼的金属（CoCr 合金[10]）分别进行热处理，所得工件强度及氧化程度均满足性能需求。

图10 PCB 板Fig.10 PCB board

5 结语

目前，该系统正处于试验阶段，主要用于齿科行业金属3D 打印义齿[11]的热处理。所设计的控制系统能够精准地检测、控制温度和氧含量，3D 打印金属工件热处理效果好，能够满足市场需求。