2025年馬弗爐行業技術分析：STM32 單片機技術創新提升馬弗爐溫度控制性能

  中國報告大廳網訊，馬弗爐作為工業和實驗室中不可或缺的高溫加熱設備，在材料科學、金屬加工、化學分析等眾多領域發揮著關鍵作用。隨著工業生產對溫度控制精度和穩定性要求的不斷提高，傳統馬弗爐溫度控制系統存在的控溫精度不高、穩態誤差大、自適應性差等問題日益凸顯，無法滿足高精度場景的應用需求。為此，針對工業加熱爐的溫控需求，一款基於 STM32 單片機的馬弗爐行業溫度控制器應運而生，旨在通過技術創新提升馬弗爐的溫度控制性能。

  一、馬弗爐溫度控制器的總體設計方案

  馬弗爐行業溫度控制器的設計以提高溫度控制精度和穩定性為核心目標，主要由熱電偶溫度測量單元、光電隔離可控矽調壓驅動單元、單片機最小系統等單元電路組成。在熱電偶測量部分，為簡化電路設計並降低成本，採用內部集成程控增益放大器的雙通道 24 位高精度 ADC 進行溫度測量電路設計。可控矽調壓驅動單元則由光電隔離可控矽電路以及過零檢測電路等構成，通過各單元的協同工作，實現對馬弗爐溫度的精準控制。

  二、馬弗爐溫度控制器的重要技術分析

  馬弗爐的 K 型熱電偶測溫原理及電路設計

  《2025-2030年全球及中國馬弗爐行業市場現狀調研及發展前景分析報告》根據馬弗爐常用溫度範圍及控制精度需求，選用性價比高的 K 型熱電偶。K 型熱電偶屬於廉金屬，測量溫度範圍為 - 200~1300℃，可對固液氣三態介質進行溫度測量，具有較高的性價比、良好的線性度和穩定性，同時測量解析度和靈敏度高。

  K 型熱電偶溫度在 0~1200℃時對應的電壓輸出為 0~48.8382mV，信號幅度小且驅動能力微弱，因此需要先經高阻輸入放大電路信號處理後再接入 A/D 轉換電路。選用 24 位高精度雙通道差分輸入 TM7707 模數轉換晶片，3V 電壓時的最大功耗為 1mW，放大倍數最大可達 128。該晶片可與 STM32 單片機進行串行通信，將 K 型熱電偶測溫後產生的模擬信號轉換成數位訊號發送給單片機，其中 AIN1 與 AIN2 分別連接兩個 K 型熱電偶，進行兩組溫度數據測量。

  由於熱電偶冷端溫度變化會影響輸出電壓，為保證溫度測量的準確性，需進行冷端溫度補償。選用的環境測溫晶片是 TMP102，其工作電壓為 1.4~3.6V，最大靜態電流為 10µA 且具有 SMBus 報警功能，額定工作溫度範圍為–40~125℃，在不進行任何校準的情況下精度仍能保證在 ±0.5℃。

  馬弗爐的光電隔離可控矽電路設計

  可控矽能夠通過弱電控制強電，可在高電壓大電流條件下工作。當給可控矽加上 AC220V 時，還需一個觸發信號才能使其導通，導通後即使撤掉觸發信號，電路仍保持工作狀態;若要關斷，需撤離觸發信號後給電路反向電壓，或減小電流至一定程度。

  設計的電路一側是 STM32 控制的低電壓電路，通過單片機引腳輸出信號，另一側是由可控矽控制、串聯電阻爐和 AC220V 高電壓的工作端。為保證輸出端對輸入端無影響，採用光耦隔離電路設計，光耦合器 MOC3052 用於觸發雙向晶閘管以及隔離單片機系統的輸入端和交流電路的輸出端，其輸入端接電晶體，由單片機的 I/O 口控制，使用 3.3V 單電源供電。

  馬弗爐的過零觸發檢測電路設計

  為滿足控制器高速率、高精度的溫度控制要求，採用比較器過零檢測電路設計。過零檢測用於檢測觸發角的大小，從而控制可控矽的導通角。過零比較利用比較器對兩個輸入電壓進行比較，將參考電壓接地，檢測待測電壓輸入值是否過零點。

  AC220V 經過 EI19 降壓為 AC10V，再經過二極體整流，整流後的電壓為比較器零點檢測電路中的比較器提供雙電源供電，通過 10kΩ 電阻分壓將交流信號衰減至比較器正端輸入，接入二極體進行電壓鉗位，將電壓鉗位在 ±0.7V，當交流輸入超過零基準電壓時，過零檢測電路會改變比較器的輸出狀態。

  馬弗爐的單片機外圍電路設計

  選用 STM32G431CBU6 作為控制器的核心晶片，該晶片是 32 位 RISC 內核單片機，工作頻率高達 170MHz，內置 128KB 的程序存儲和 32KB 的 SRAM、I/O 埠和 1 個 32 位多 AHB 總線矩陣的外設以及 2 條 APB 總線、2 條 AHB 總線，還提供 4 個比較器、3 個運算放大器、4 個 DAC 通道、2 個快速 12 位 ADC、1 個通用 32 位定時器、7 個通用 16 位定時器和 1 個 16 位低功率定時器。STM32 最小系統電路中，外部低速系統時鐘由相關元件構成，高速外部系統時鐘也有對應的構成元件，復位電路由電阻和電容共同構成，同時還有電源引腳的退耦電容和程序下載接口等。

  三、馬弗爐溫度控制策略及測試驗證

  馬弗爐的 PID 控制原理

  PID 控制是經典控制理論中的重要控制策略，通過比例控制、積分控制和微分控制的組合，根據實時的誤差和誤差變化率計算最終的控制輸出信號，實現對被控對象的精確控制。其本質為一種負反饋控制系統，根據給定值 r (t) 與實際輸出值 y (t) 構成的反饋誤差 e (t)，通過 PID 控制器調整控制輸出 u (t)，控制器的輸出結果與輸入偏差信號之間的關係為 u (t)=KPe (t)+KI∫e (t) dt+KD (de (t)/dt)，其中 u (t) 為控制器輸出，e (t) 為偏差信號，KP 為比例增益係數，KI 為積分增益係數，KD 為微分增益係數。

  馬弗爐的串級 PID 控制

  PID 控制系統含有兩個被控對象，分別是加熱爐的樣品室溫度 G₁(s) 和爐內溫度 G₂(s)，傳遞函數為 G₁(s)=1/(90s²+32s+1)，G₂(s)=1/(10s³+24s²+11s+1)。以加熱爐樣品室溫度為主控制對象，爐內溫度為副控制對象，構成加熱爐串級 PID 溫控系統。在該系統中，副迴路能有效消除擾動，避免擾動對主迴路造成更大影響。

  馬弗爐控制策略的仿真對比

  採用 MATLAB 軟體的 Simulink 可視化仿真工具進行串級 PID 控制的溫度仿真，以優化系統溫度控制，並與單迴路 PID 控制進行對比。設定溫度為 300℃，仿真結果顯示，與傳統的單迴路 PID 控制相比，串級 PID 控制引入了額外的控制迴路，形成主迴路和副迴路的雙層控制結構，主迴路負責精確控制最終溫度目標，副迴路對中間過程變量進行調節，能夠更快地響應溫度變化，有效減少系統的超調和穩態誤差，實現更為精確和穩定的溫度控制。

  四、總結

  馬弗爐溫度控制器的設計以 STM32 單片機為控制核心，硬體電路採用雙路熱電偶溫度測量電路，控制元件選用雙向可控矽，有效提高了控制精度，且設計成本低、集成性高。在溫度控制策略上，採用高精度串級 PID 控制策略，通過對爐內及樣品室進行多點溫度測量，提高了響應速度及控制精度。

  實驗結果表明，與傳統的單迴路 PID 控制策略相比，串級 PID 控制策略在馬弗爐溫度控制應用中展現出更優越的性能，特別是在控制精度和系統響應速度方面，能更快速、準確地對溫度變化進行調節，有效減少系統的超調量和穩定時間，保證了溫度控制過程的高效性和穩定性。這一成果不僅明顯提升了馬弗爐的溫度控制性能，也為類似的工業溫度控制應用提供了可靠的技術方案，對推動高精度、高穩定性溫度控制技術在工業領域的應用具有重要意義。

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