熱鍍鋅工藝中助鍍劑溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張計風(fēng)，王寶珠，賈科進(jìn)，劉艷彬

（1.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401；2.中國人民解放軍空軍93756部隊(duì) 電子教研室，天津 300133）

熱鍍鋅是目前防止鋼鐵構(gòu)件氧化生銹的最有效辦法。熱鍍鋅工藝流程中，溶劑助鍍是其中非常重要的一環(huán)，其目的是防止預(yù)鍍件生銹。助鍍槽內(nèi)的溶液為氯化鋅和氯化銨的混合液[1]。氯化鋅的作用在于形成保護(hù)膜，減少工件從酸洗到熱鍍鋅過程中的氧化；氯化銨可以降低鋼件表面氧化鐵的殘存。助鍍槽溫度是一項(xiàng)非常重要的工藝參數(shù)，通常需要控制在 60～70℃。

文中介紹了一款由單片機(jī) AT89S52和新型的智能集成溫度傳感器 DS18B20以及LCD顯示器等部件實(shí)現(xiàn)的助鍍槽溫度測量及報警系統(tǒng)。同時在設(shè)計方面做了功能的擴(kuò)展，鍵盤是用來設(shè)置上下限報警溫度，且測量準(zhǔn)確、誤差小[2-3]。單片機(jī)可把由DS18B20傳來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示模塊，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時顯示，并將溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度超過給定的最高溫度或者低于給定的最低溫度時，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警，同時打開繼電器以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整助鍍槽溫度。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)對助鍍劑溫度的實(shí)時監(jiān)測，同時由于所采集的數(shù)據(jù)量不很大，考慮到成本問題，本系統(tǒng)設(shè)計選用了ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，由于該芯片內(nèi)含8 kB的EEPROM，因而無需外加存儲器，其電路簡單可靠[4-5]。該系統(tǒng)主要由4個模塊組成：溫度采集模塊、溫度顯示模塊、超限報警模塊和執(zhí)行模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度采集電路設(shè)計

溫度傳感器采用DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它是最新的“一線器件”，體積小、適用電壓寬、經(jīng)濟(jì)方便，DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨率精度為±0.5℃，溫度采集具有準(zhǔn)確性、實(shí)時性[6-8]。

DS18B20的管腳排列如下：DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

溫度數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。 電路采用單總線接口方式，溫度傳感器DS18B20采集被控對象的實(shí)時溫度并從單片機(jī)的P3.5口輸入，R13為上拉電阻。 電路采用數(shù)字信號輸出可提高信號抗干擾能力和溫度測量精度。 電路工作電壓使用范圍為3.0～5.5 V，采用外部供電方式。

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Circuit of temperature data collecting

2.2 溫度顯示電路設(shè)計

溫度顯示采用LCD1602。LCD即液晶顯示器，是由液態(tài)晶體組成的顯示屏。LCD1602可以顯示兩行，每行顯示16個字符。顯示內(nèi)容可以為數(shù)字，字母，標(biāo)點(diǎn)符號等。顯示內(nèi)容豐富，價格適中。工作溫度范圍為-20～+70℃。

溫度顯示電路如圖3所示。P0.0～P0.7的輸出信號和上拉電阻RP1接到LCD1602上進(jìn)行顯示。 P2.0、P2.1和 P2.2分別連接RS、RW、E位，通過編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對這3個位的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LCD1602的初始化及顯示功能。

圖3 溫度顯示電路Fig.3 Circuit of temperature displaying

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度上下限的調(diào)整，圖3中的TH為溫度上限標(biāo)志，TL為溫度下限標(biāo)志，可根據(jù)實(shí)際工藝需求自行設(shè)定，具有一定的靈活性和可移植性。

2.3 超限報警電路設(shè)計

采用無源蜂鳴器，通過編程提供方波脈沖信號，以實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的發(fā)聲。單片機(jī)從DS18B20采集現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后與預(yù)先設(shè)定好的溫度閾值做比較，超限即送P3.6口連續(xù)方波脈沖信號，實(shí)現(xiàn)報警功能。越限報警電路如圖4所示。

圖4 越限報警電路Fig.4 Circuit of alarming

2.4 執(zhí)行模塊電路設(shè)計

當(dāng)助鍍劑溫度低于60℃時，P3.7輸出低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器開啟，從而控制相應(yīng)的加熱裝置，實(shí)現(xiàn)對助鍍劑升溫的控制；當(dāng)溫度達(dá)到70℃并超過這一值，P3.7輸出高電平，繼電器停止工作。此處二極管反向與繼電器并接，當(dāng)繼電器外部電源停止供電時，線圈的反向電壓通過二極管構(gòu)成回路，對外部電路不會產(chǎn)生影響。執(zhí)行模塊電路如圖5所示。

圖5 執(zhí)行模塊電路Fig.5 Circuit of Executing

3 軟件設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)程序流程如圖6所示。程序采用C51進(jìn)行編程，DS18B20獲取溫度并轉(zhuǎn)換，送入AT89S52單片機(jī)處理，然后通過LCD1602顯示溫度，完成溫度的實(shí)時顯示和越限報警。

圖6 發(fā)送程序和參數(shù)調(diào)節(jié)程序Fig.6 Flow chart of main progrom

DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。如主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，必須經(jīng)過3個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令與處理數(shù)據(jù)，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。單片機(jī)先發(fā)一個復(fù)位脈沖，保持低電平時間最少 480 μs，最多不能超過 960 μs。 然后，單片機(jī)釋放總線，等待DS18B20的應(yīng)答。DS18B20在接收到復(fù)位脈沖后等待 15～60 μs發(fā)出應(yīng)答脈沖，應(yīng)答脈沖持續(xù) 60～240 μs，單片機(jī)收到此信號表示復(fù)位成功[9-10]。

LCD1602的使用必須符合其基本操作時序：讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。當(dāng)忙碌標(biāo)志位BF=0時，通過顯示模式指令設(shè)置顯示模式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，即助鍍劑溫度的顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

電路板焊接和調(diào)試完畢后，將編寫好的程序代碼燒錄到單片機(jī)里，取一杯白開水，放置幾分鐘，進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)測，并將DS18B20測量值與溫度計測量值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1。可見，在60～70℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)誤差在+0.2℃，在熱鍍鋅工藝中助鍍劑溫度所允許的誤差范圍內(nèi)。并且出現(xiàn)高于70℃或低于60℃時，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動報警并啟動相應(yīng)的執(zhí)行模塊。此外，考慮到工業(yè)現(xiàn)場中，對DS18B20線長的要求不盡相同，為滿足DS18B20的工作時序和通信協(xié)議，就需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整程序和電路，以完成DS18B20和單片機(jī)之間的信號傳遞。

表1 系統(tǒng)實(shí)測溫度對比Tab.1 Comparison of system measured temperature

5 結(jié) 論

本設(shè)計以AT89S52單片機(jī)為核心，采用 DS18B20為測溫傳感器，通過C語言開發(fā)了完整的軟件程序，實(shí)現(xiàn)了在熱鍍鋅工藝中對助鍍劑的溫度采集、溫度顯示、越限報警等功能。本設(shè)計可移植性很強(qiáng)，如果改變傳感器并對調(diào)理電路和程序稍作修改，還可以實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅工藝中其他一些工藝參數(shù)的監(jiān)控，如對酸洗液pH值的監(jiān)控、對熱鍍鋅鋅液溫度及高度的監(jiān)控等，從而實(shí)現(xiàn)整個熱鍍鋅工藝自動控制系統(tǒng)設(shè)計，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值。

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