遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制工程系 王 超 李鑫垚

遼寧思凱科技股份有限公司研發(fā)中心 孫 文君

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天和軍事裝備等工業(yè)領(lǐng)域，同工業(yè)自動(dòng)化緊密結(jié)合在一起，并相互推動(dòng)。隨著西電東送以及各地發(fā)電廠的建設(shè)，線纜有著巨大的需求。電線電纜生產(chǎn)中，銅導(dǎo)體線芯在材料一定的情況下，常通過退火來改善其機(jī)械性能和導(dǎo)電性能，因此銅線的退火對電線電纜生產(chǎn)來說是極為重要的一個(gè)因素[1]。本文主要論證如何將溫度檢測、變送電路的信號(hào)輸入到MSP430單片機(jī)，從而對退火爐進(jìn)行溫度控制。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

蒸汽保護(hù)無氧退火對溫度的控制要求預(yù)熱和冷卻出爐溫度一般為120℃，加熱的上限溫度，既保溫溫度根據(jù)線徑粗細(xì)為350℃～600℃之間某一溫度值，保溫時(shí)間一般為2～3h。另外，要求在不同階段的結(jié)束（或開始）要發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作者對水蒸氣等進(jìn)行相應(yīng)的控制。

系統(tǒng)由溫度傳感器檢測信號(hào)，經(jīng)過多路開關(guān)、放大電路等輸入到MSP430單片機(jī)，單片機(jī)則通過接口控制電路對各部分進(jìn)行控制。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System block diagram

圖2 3路溫度傳感器切換電路Fig.2 Set temperature sensor switch circuit

1.1 多路傳感器電路

溫度傳感器主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)[2]，如表1所示。

我們選用SCY1-WRN-240，同時(shí)3個(gè)傳感器通過多路開關(guān)74HC4052進(jìn)行切換，如圖2所示。SCY1-WRN-240熱電偶用鎳鉻合金絲和鎳硅合金絲分別作正極和負(fù)極，它的熱電勢與溫度的關(guān)系近似成直線[3]。

表1 退火加熱爐溫度/數(shù)字量對照表Tab.1 The annealing furnace temperature/digital CRT

1.2 溫度變送電路

將溫度轉(zhuǎn)換為一定形式的電信號(hào)送入溫度變送電路，它由OP-07放大器、差分電路組成。如圖3，實(shí)際電路中采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，可采用wR進(jìn)行調(diào)整0點(diǎn)[4]。

當(dāng)傳感器信號(hào)經(jīng)過74HC4052傳遞到溫度變送電路后，經(jīng)過一級(jí)放大與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比差分比較器，輸出到AD采樣保持端，如圖3所示。

圖3溫度變送電路Fig.3 Temperature sensor circuit figure

圖4 高速AD采集電路Fig.4 High-speed AD sampling circuit

圖5 MCU芯片電路Fig.5 MCU chip circuit

1.3 AD采集電路

AD采集電路是此系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，為了保證采集的精度，我們選用了AD7705及REF192ES組合作為本系統(tǒng)的高速AD采集電路。AD7705芯片與MCU的通信是通過SPI方式，并且可以滿足一次性2個(gè)通道采集[5]。在電路中，REF192ES芯片為AD7705芯片提供了參考電壓，如圖4所示。

圖6 電源供電電路Fig.6Power supply circuit

圖7 LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 LCD display driver circuit

圖8 主控流程圖Fig.8 Main control flow chart

1.4 主控制電路

本系統(tǒng)的MCU我們選擇了MSP430F43X系列的單片機(jī)，它主要完成了時(shí)序的配置、74HC4052的切換，AD采集芯片時(shí)序控制、AD采集電路的基準(zhǔn)電壓，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等工作，如圖5所示。

1.5 電源供電電路

本系統(tǒng)的電源電壓采用6V提供的，經(jīng)過120b50芯片后轉(zhuǎn)為5V，提供給AD及單片機(jī)供電的電壓，為了使得電源電壓穩(wěn)定，我們設(shè)計(jì)了D9、D8的二極管進(jìn)行峰值濾波，并且對大的干擾波進(jìn)行吸收濾波，如圖6所示。

1.6 LCD驅(qū)動(dòng)電路

為了方便用戶看到溫度的數(shù)據(jù)值，我們設(shè)計(jì)了26引腳的LCD顯示屏及驅(qū)動(dòng)電路，它可以滿足溫度的顯示。由于MSP430F43X系統(tǒng)本身就帶有LCD驅(qū)動(dòng)，所以我們將驅(qū)動(dòng)配置出即可，即在MCU的R03、R13、R23、R33上分別接1M的電阻，主要是為LCD提供電壓，如圖7所示。

2.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主程序，中斷服務(wù)程序等組成。采用MSP430的中斷服務(wù)程序INT0完成數(shù)據(jù)采集與處理，采樣周期1s。鍵盤中斷服務(wù)程序INT1完成按下功能鍵的處理，為了滿足精度要求，我們做了數(shù)據(jù)濾波的處理，使得數(shù)據(jù)更可靠。圖8是主程序框圖。

主函數(shù)和AD采集代碼：

#define HC4052_S1_SET P2OUT|=BIT0；

#define HC4052_S1_CLR P2OUT&=~(BIT0)；

#define HC4052_S0_SET P2OUT|=BIT2；

#define HC4052_S0_CLR P2OUT&=~(BIT2)；

int main(void)

{WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；

InitDCO()；

MSP430Init()；

ADC12setup()；

InitBasicTimer()；

EINT()；}

void ADC12setup(void)

{ADC12CTL0=ADC12ON

SHT0=2(N=4)

ADC12CTL1=SHP

ADC12CTL0|=REF2_5V ADC12CTL0|=REFON；

ADC12MCTL0|=SREF_1；ADC12CTL0|=ENC

ADC0=0x00；}

圖9 蒸汽內(nèi)的溫度隨著時(shí)間曲線Fig.9 As time curves of temperature in the steam

3.實(shí)驗(yàn)分析

蒸汽保護(hù)無氧 退火過程的控制要求，我們必須在實(shí)際應(yīng)用中做一個(gè)測試分析。我們將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的蒸開，從70℃開始升溫至170℃左右，我們將帶有傳感器的玻璃罩放在蒸汽中，通過LCD屏讀取溫度值隨時(shí)間的變化，繪制如圖9的曲線。

從圖9的曲線中，我們看到隨著時(shí)間的推移，爐溫在升高，最后在110分鐘后，穩(wěn)定在170℃，并且在20分鐘后再次測量，溫度值基本沒有變化，重復(fù)性良好。

4.結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)論證，本系統(tǒng)的溫度波動(dòng)較小，并且在單點(diǎn)重復(fù)性良好，說明本系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。若將系統(tǒng)做成便攜式的，完全可以拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，所以本設(shè)計(jì)能有效滿足蒸汽保護(hù)無氧退火過程的控制要求，希望對相關(guān)的領(lǐng)域有借鑒的作用。

[1]陳中華.蒸汽保護(hù)無氧退火爐自動(dòng)控溫報(bào)警系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)(自然科學(xué)版)，2000，19(2).

[2]張慶玲.熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，18(1).

[3]何祥宇.基于熱電偶的多通道測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2010，3.

[4]蘇威.高精度多路溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26(2).

[5]王玲.基于MSP430單片機(jī)的多路無線溫度檢測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(1).