工業(yè)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

徐曉霞

（西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院 電子信息系，陜西 西安710025）

工業(yè)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

徐曉霞

（西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院 電子信息系，陜西 西安710025）

加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應(yīng)用廣泛。本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一個工業(yè)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)，即以單片機(jī)為主控系統(tǒng)，溫度傳感器采集信號和處理信號，并且能夠在LED顯示器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示。通過設(shè)計(jì)硬件原理圖，并詳細(xì)論述各個硬件組成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件，將其應(yīng)用于工業(yè)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過在PROTEUS軟件上測試，溫度采集范圍在400～1 000攝氏度，精確到1攝氏度，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

單片機(jī)；溫度傳感器；時鐘芯片；聲光報警

當(dāng)代在我國出現(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和空氣污染，造成了霧霾圍困首都北京，并且霧霾隨之席卷了17個省市自治區(qū)，影響四分之一國土面積以及6億人的生活。霧霾嚴(yán)重的主要是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和重化工業(yè)突出地區(qū)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境空氣已成為制約我國工業(yè)發(fā)展的重要阻礙因素，社會各界積極響應(yīng)節(jié)能減排。工業(yè)生產(chǎn)將是治理和發(fā)展的重要區(qū)域。加熱爐是冶金工業(yè)的主要耗能設(shè)備。如何保證被加熱后的金屬能夠在有效軋制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業(yè)控制技術(shù)研究的主要方向。近年來由于各企業(yè)重視節(jié)源效益，對加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動化控制水平也相應(yīng)提高和不斷深入。單片機(jī)技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展以及各種先進(jìn)控制理論的形成，為我們開拓新的控制技術(shù)提供了條件。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的體積小、價格低廉、可靠性高，可用其構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的智能控制單元，受到廣大工程技術(shù)人員的重視。在這樣一個背景下，本設(shè)計(jì)選用基于單片機(jī)的工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)作為研究對象[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及技術(shù)指標(biāo)

框圖分單片機(jī)、溫度信號采集及處理模塊、聲光報警模塊、鍵盤模塊、時鐘模塊和顯示模塊。當(dāng)溫度采集模塊中的溫度傳感器采集到溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)化處理，將采集到的模擬信號變成數(shù)字信號輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理并顯示出溫度。時鐘模塊顯示出當(dāng)前準(zhǔn)確的時間，這樣就顯示出實(shí)時溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，啟動聲光報警。

技術(shù)指標(biāo)：溫度采集范圍400～1 000攝氏度，精確到1攝氏度，顯示要4位溫度，6位時間，兩者之間要區(qū)分，共10位顯示，這樣可以顯示實(shí)時溫度。鍵盤要16個鍵，10個數(shù)字鍵，5個功能鍵：復(fù)位、確認(rèn)、設(shè)置、上限、下限，1預(yù)留功能按鍵。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號采集模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要研究溫度這個參數(shù)。所以在信號采集模塊的電路設(shè)計(jì)要用到溫度傳感器，本課題選用K型熱電偶MAX6675。

MAX6675是一個復(fù)雜的熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，帶有一個內(nèi)置的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）[2-3]。MAX6675還包含了冷結(jié)補(bǔ)償傳感和校正，數(shù)字控制器，一個SPI兼容接口，以及相關(guān)的控制邏輯。MAX6675 VCC：電源端需要接5V的工作電源。T-：連接熱電偶負(fù)極（使用時接地）；T+：與熱電偶正極連接；SCK：串行時鐘輸入連接單片機(jī)的P21接口；CS：片選信號連接到單片機(jī)的P2.2接口；SO：串行數(shù)據(jù)輸出連接單片機(jī)P3.5接口；GND：接地端；NC：懸空，不用。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾，所以芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限，增強(qiáng)抗干擾能力。溫度采集模塊電路如圖2所示。

圖2 溫度采集模塊電路圖

2.2 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)

在按鍵鍵盤選擇時可分為獨(dú)立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。獨(dú)立式鍵盤接口每個按鍵占用一條I/O線，I/O口利用率不高，但程序編譯簡單，適用于所需按鍵較少的情況。行列式鍵盤接口電路連接復(fù)雜但提高了I/O口利用率，軟件編程較復(fù)雜，適用于所需按鍵量多的場合。結(jié)合本課題需用16個按鍵較多，所以選擇行列式鍵盤接口。如圖3所示。

圖3 鍵盤模塊電路圖

2.3 單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)主控部分使用的是AT89C51單片機(jī)。本部分是系統(tǒng)的控制電路，以單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)接收溫度信號進(jìn)行處理，并輸出顯示溫度。該部分電路包括為單片機(jī)提供工作信號脈沖的震蕩電路，按鍵復(fù)位電路及上電復(fù)位電路等[4-6]。

單片機(jī)的振蕩電路由反相器以及并聯(lián)外接的石英晶體和電容構(gòu)成，89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端，分別連接XTAL1和XTAL2引腳在芯片外并接11.0529 MHz石英晶體振蕩器和兩只30pF電容，一起構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，用于產(chǎn)生振蕩脈沖。復(fù)位電路采用上電復(fù)位，通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)復(fù)位。電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)復(fù)位和震蕩電路

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用10位8段共陰極數(shù)碼管組成LED顯示屏，顯示6位時間和4位溫度。在設(shè)計(jì)顯示模塊是由于數(shù)碼管較多，所以用到HD7279。HD7279是一片具有串行接口的，可驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可以連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。HD7279接口中VDD接5 V工作電源，28端口接5V電源，RC接RC振蕩電路供系統(tǒng)工作。顯示電路如圖5所示。

2.5 時鐘模塊電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用DS1302時鐘芯片。DS1302的引腳排列，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768 kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端（雙向）。SCLK為時鐘輸入端采用三線接口與CPU進(jìn)行同布通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或者RAM數(shù)據(jù)。本電路由Y構(gòu)成起鎮(zhèn)。3 V的紐扣電池構(gòu)成掉電保護(hù)電路。給SCLK、I/O和RES這3個管腳加上拉電阻提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限，增強(qiáng)抗干擾能力。時鐘電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 顯示模塊電路

圖6 時鐘電路

2.6 報警模塊電路設(shè)計(jì)

報警模塊的設(shè)計(jì)利用蜂鳴器和發(fā)光二極管模擬聲光報警。5 V電源分別連接PNP一端和發(fā)光二極管，在分別連接電阻最后匯聚連接單片機(jī)P2.4端口。三極管另一段接蜂鳴器，蜂鳴器另一端接地。電路如圖7所示。

圖7 報警模塊電路

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 仿真調(diào)試

首先打開PROTEUS系統(tǒng)軟件；在PROTEUS的p中選擇所需要的零件有電阻RES、電容CAP、電解電容CAP-ELEC、開關(guān)BUTTON、晶振CRYSTAL、LED顯示屏、蜂鳴器、二極管、發(fā)光二極管、DS1302、MAX6675、單片機(jī)AT89C51等。按照PROTEL中的原理圖在PROTEUS中繪制出需要仿真和調(diào)試的電路。各模塊電路設(shè)計(jì)完成后，調(diào)入已編譯好的軟件程序代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。當(dāng)在T+端口輸入的數(shù)值，經(jīng)過單片機(jī)對比處理并將溫度顯示在4位顯示器，6位顯示器顯示時間。如果溫度不在400～1 000攝氏度范圍，報警模塊啟動聲光報警，經(jīng)過主要模塊的測試無錯誤后將系統(tǒng)總程序在KEIL軟件編譯運(yùn)行無錯誤生產(chǎn)HEX文件，并導(dǎo)入將要測試的系統(tǒng)總圖。運(yùn)行后結(jié)果如圖8所示。

3.2 調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過在PROTEUS軟件上測試，本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)：以單片為核心，經(jīng)過溫度采集模塊采集處理的溫度數(shù)據(jù)可以在4位顯示屏上顯示出來，在6位顯示屏上顯示出時鐘模塊輸入準(zhǔn)確時間。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時顯示溫度，并且當(dāng)采集的溫度不在預(yù)設(shè)的溫度范圍300至1000攝氏度啟動聲光報警。

4結(jié) 論

本課題按照預(yù)定的目標(biāo)完成了溫度模塊、按鍵模塊、單片機(jī)模塊、報警模塊時鐘和顯示模塊的設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)完成了預(yù)定的功能。此次工業(yè)加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成本低廉，制作簡單，有利于推廣給小企業(yè)，這對于社會將是環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價值。

圖8 仿真調(diào)試電路圖

[1]周航慈.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2]李玉峰，倪紅霞.MCS-51系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[3]王幸之，鐘愛琴，等.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]Lee TH Ge，S S.Intelligent control of mechatronic systems[J].Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Intelligent Control，2003：646-660.

[5]WANG Z J，WU Q D，CHAI T Y.Optima-l Setting Controlfor Complicated Industrial Processes and Its Application Study[J].Control Engineering Practice，2004，12（1）:65.

[6]Ditzhuijzen V，Slaalman G.Identification and Model Predictive Control of a Slab Reheating Furnace[C].MProceedings of the 2002 IEEE International on Conference on Control Applications.Glasgow，Scotland:2002:361.

The hardware design of monitoring system for industrial furnace

XU Xiao-xia
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University North Institute of Information Engineering，Xi'an 710025，China）

Furnace is a typical industrial process control objects，widely used in China.Based on single-chip design of an industrial furnace monitoring system，it was the master system microcontroller，a temperature sensor signal acquisition and signal processing，and enables real-time display on the LED display.By designing hardware schematics，and discussed in detail the various hardware works portion，and components used in various parts of the composition，which is used in industrial furnace monitoring system.Tested on PROTEUS software，it was temperature measurement range 400～1 000 degrees Celsius，accurate to 1 degree Celsius，to achieve the desired objectives.

single chip microcomputer；temperature sensor；clock chip；sound and light alarm

TN911.23

A

1674－6236（2016）18-0162-04

2015-09-22 稿件編號：201509158

徐曉霞（1984—），女，山西大同人，碩士研究生，講師。研究方向:仿真技術(shù)、信號與信息處理、模糊控制等。