便攜式無氧退火爐溫度檢測系統的設計

遼寧機電職業技術學院自動控制工程系 王 超 李鑫垚

遼寧思凱科技股份有限公司研發中心 孫 文君

單片機廣泛應用于制造工業、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領域，同工業自動化緊密結合在一起，并相互推動。隨著西電東送以及各地發電廠的建設，線纜有著巨大的需求。電線電纜生產中，銅導體線芯在材料一定的情況下，常通過退火來改善其機械性能和導電性能，因此銅線的退火對電線電纜生產來說是極為重要的一個因素[1]。本文主要論證如何將溫度檢測、變送電路的信號輸入到MSP430單片機，從而對退火爐進行溫度控制。

1.硬件電路設計

蒸汽保護無氧退火對溫度的控制要求預熱和冷卻出爐溫度一般為120℃，加熱的上限溫度，既保溫溫度根據線徑粗細為350℃～600℃之間某一溫度值，保溫時間一般為2～3h。另外，要求在不同階段的結束（或開始）要發出報警信號，提醒操作者對水蒸氣等進行相應的控制。

系統由溫度傳感器檢測信號，經過多路開關、放大電路等輸入到MSP430單片機，單片機則通過接口控制電路對各部分進行控制。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖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轉換，將溫度信號轉換成電信號，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有關[2]，如表1所示。

我們選用SCY1-WRN-240，同時3個傳感器通過多路開關74HC4052進行切換，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極，它的熱電勢與溫度的關系近似成直線[3]。

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

1.2 溫度變送電路

將溫度轉換為一定形式的電信號送入溫度變送電路，它由OP-07放大器、差分電路組成。如圖3，實際電路中采用低漂移高精度運放OP-07芯片，可采用wR進行調整0點[4]。

當傳感器信號經過74HC4052傳遞到溫度變送電路后，經過一級放大與基準信號進行比差分比較器，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采集電路是此系統的關鍵部分，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顯示驅動電路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

本系統的MCU我們選擇了MSP430F43X系列的單片機，它主要完成了時序的配置、74HC4052的切換，AD采集芯片時序控制、AD采集電路的基準電壓，對采集的數據進行處理等工作，如圖5所示。

1.5 電源供電電路

本系統的電源電壓采用6V提供的，經過120b50芯片后轉為5V，提供給AD及單片機供電的電壓，為了使得電源電壓穩定，我們設計了D9、D8的二極管進行峰值濾波，并且對大的干擾波進行吸收濾波，如圖6所示。

1.6 LCD驅動電路

為了方便用戶看到溫度的數據值，我們設計了26引腳的LCD顯示屏及驅動電路，它可以滿足溫度的顯示。由于MSP430F43X系統本身就帶有LCD驅動，所以我們將驅動配置出即可，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.軟件設計

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

主函數和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 蒸汽內的溫度隨著時間曲線Fig.9 As time curves of temperature in the steam

3.實驗分析

蒸汽保護無氧 退火過程的控制要求，我們必須在實際應用中做一個測試分析。我們將實驗臺的蒸開，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，我們看到隨著時間的推移，爐溫在升高，最后在110分鐘后，穩定在170℃，并且在20分鐘后再次測量，溫度值基本沒有變化，重復性良好。

4.結論

通過實驗論證，本系統的溫度波動較小，并且在單點重復性良好，說明本系統的抗干擾能力強。若將系統做成便攜式的，完全可以拓寬應用領域，所以本設計能有效滿足蒸汽保護無氧退火過程的控制要求，希望對相關的領域有借鑒的作用。

[1]陳中華.蒸汽保護無氧退火爐自動控溫報警系統[J].遼寧工程技術大學(自然科學版)，2000，19(2).

[2]張慶玲.熱電偶傳感器測溫系統的設計應用[J].西北輕工業學院學報，2000，18(1).

[3]何祥宇.基于熱電偶的多通道測溫系統設計與實現[J].現代計算機，2010，3.

[4]蘇威.高精度多路溫度檢測系統設計[J].自動化技術與應用，2007，26(2).

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