基于單片機(jī)控制的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳貴寶

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，如果溫度調(diào)節(jié)不好，涉及到安全生產(chǎn)，產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)量等問題。對傳統(tǒng)方法的溫度測定程度低，交流機(jī)使用周期短，通斷溫度比例低，所以程序設(shè)定的溫度無法實(shí)現(xiàn)上升曲線溫度。本次設(shè)計(jì)是單片機(jī)為中心的溫度控制技術(shù)為核心代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制設(shè)計(jì)，根據(jù)特定的程序變更淬火爐爐溫，達(dá)到較高的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本文介紹了一種基于AT89C51單片機(jī)開發(fā)的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)。其主要功能就是控制淬火爐爐溫，利用淬火爐加熱提升爐內(nèi)溫度，使得爐溫溫度能夠達(dá)到用戶的設(shè)定溫度。同時(shí)能夠自動(dòng)控溫，在得到設(shè)定溫度之后通過程序控制自動(dòng)開啟/關(guān)閉加熱管來維持溫度，以達(dá)到恒溫的功能。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)為主控芯片，有按鍵模塊供用戶調(diào)節(jié)設(shè)定爐溫溫度，LM016L液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示淬火爐溫度，以及設(shè)計(jì)了加熱管驅(qū)動(dòng)控制電路。

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用電子電路技術(shù)與制作電路板技術(shù)，同時(shí)對單片機(jī)運(yùn)用以及單片機(jī)控制電路的開發(fā)也有一定要求。在功能實(shí)現(xiàn)方面，通過C語言編程進(jìn)行控制單片機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制下取暖器的自動(dòng)控溫功能。

整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示，系統(tǒng)硬件分模塊設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能。在主控芯片的控制下，各模塊共同運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。系統(tǒng)硬件可以分為幾大模塊，各模塊與主控單片機(jī)之間的關(guān)系如圖1所示，具體包括了以下模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、ADC0832模塊、熱敏電阻檢測模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、加熱模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

1.2 溫度控制器原理

淬火爐爐溫控制最重要的就是溫度控制，在程序中其他模塊都正常運(yùn)行之后，就可以進(jìn)行自動(dòng)溫控子函數(shù)了。這個(gè)控溫的功能實(shí)際上就是控制加熱管是否工作，那么這個(gè)控制的依據(jù)就是爐溫溫度和設(shè)定溫度的比較。當(dāng)爐溫溫度小于設(shè)定溫度，加熱管持續(xù)加熱。當(dāng)爐溫溫度達(dá)到設(shè)定溫度后單片機(jī)自動(dòng)控制加熱管關(guān)閉。隨后在加熱管關(guān)閉期間爐溫溫度慢慢下降，當(dāng)爐溫溫度下降到設(shè)定溫度以下時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)控制加熱管開啟工作維持溫度，以此循環(huán)得到穩(wěn)定環(huán)境溫度的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件模塊簡介

2.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)選用STC89C51為主控芯片，這款芯片在工作過程中消耗電流小，同時(shí)也是8位單片機(jī)中性能比較高的微型控制器。該芯片有8k內(nèi)存，一般應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上可以滿足程序設(shè)計(jì)容量[1]。

2.2 加熱電路模塊

當(dāng)淬火爐爐溫溫度低于預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)，經(jīng)控制器判斷后，發(fā)送給加熱模塊進(jìn)行加熱，加熱控制電路原理圖如圖2所示。本方案中由于加熱管的工作電流比較大，因此考慮采用繼電器控制。因?yàn)榫€圈的工作電流在60mA左右，不能直接由芯片引腳提供，所以再通過一個(gè)NPN三極管驅(qū)動(dòng)線圈。當(dāng)芯片引腳輸出高電平時(shí)三極管Q2導(dǎo)通，從而線圈兩端被加上了VCC的電壓，因此繼電器吸合使得加熱管工作。

圖2 加熱控制電路原理圖

2.3 采集溫度模塊

該系統(tǒng)采用熱敏電阻來采集溫度，并使用ADC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。VCC電壓經(jīng)過熱敏電阻和1k電阻接地，通過兩個(gè)電阻分壓的方式建立檢測電路，通過單片機(jī)去檢測兩個(gè)電阻中間連接點(diǎn)的電壓即可得知此時(shí)的分壓點(diǎn)的電壓大小。通過引腳檢測到的電壓大小可以推算出此時(shí)熱敏電阻的阻值，然后通過查閱熱敏電阻阻值表可以得到當(dāng)前熱敏電阻阻值所對應(yīng)的溫度值。

2.4 LM016L顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊選用LCD1602，這是一種液晶字符顯示屏。就如同它名稱一樣，它能夠同時(shí)顯示16x02個(gè)字符，換句話說就是32個(gè)字符。液晶顯示屏的使用原理就是對其顯示區(qū)域的電壓控制，通過單片機(jī)去控制顯示區(qū)域的電壓就可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能。引腳VL是液晶屏的背光亮度調(diào)節(jié)，通過電阻分壓可以調(diào)節(jié)背光屏的亮度。RS、RW、EN為液晶顯示屏的控制引腳，D0-D7則為液晶顯示屏的數(shù)據(jù)引腳，直接將數(shù)據(jù)引腳連接到單片機(jī)P0口引腳上接對應(yīng)的數(shù)碼顯示端口，寄存器選擇RS，讀寫操作RW，使能信號(hào)EN則分別采用P1.0-P1.2進(jìn)行與軟件相適應(yīng)，通過單片機(jī)發(fā)生顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)字符的顯示。

2.5 A/D模塊

本設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換芯片選用ADC0832，其中引腳CH0是模擬信號(hào)的輸入引腳，模擬電壓通過該引腳輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片中。然后通過AD轉(zhuǎn)換之后從引腳DO輸出數(shù)字信號(hào)，該引腳直接連接單片機(jī)引腳，通過程序去處理該引腳傳回的數(shù)據(jù)就可以完成AD信號(hào)的采集過程。

2.6 按鍵輸入模塊

本設(shè)計(jì)中一共有2個(gè)按鍵，用來設(shè)置系統(tǒng)的加熱溫度。按鍵具有兩個(gè)引腳，當(dāng)按鍵未按下的時(shí)候兩個(gè)引腳是不導(dǎo)通的，當(dāng)按鍵按下后兩個(gè)引腳就會(huì)導(dǎo)通。利用按鍵是否導(dǎo)通可以判斷按鍵是否按下，根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵檢測電路。將按鍵一端接GND，另一端接單片機(jī)IO口，通過程序去讀取該IO口的電平信息，當(dāng)按鍵沒有按下的時(shí)候讀取到的電平信息為高電平。當(dāng)按鍵按下的后此時(shí)程序讀取到的電平信息會(huì)變成低電平，則可以進(jìn)行系統(tǒng)加熱溫度調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

軟件控制是該系統(tǒng)的核心，進(jìn)行反饋調(diào)制達(dá)到設(shè)計(jì)需要的淬火爐爐溫，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程主要有溫度采集，然后A/D轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送到微處理器，并在LCD顯示器中顯示傳送溫度數(shù)值。接著判斷鍵盤是否按鍵，按下控制溫度數(shù)值加一按鍵，并在LCD顯示器中顯示設(shè)置好的溫度數(shù)值。如果按下控制溫度數(shù)值減一按鍵，并在LCD顯示器中顯示設(shè)定溫度數(shù)值。將預(yù)定的溫度和實(shí)際溫度數(shù)值相比，實(shí)際溫度比預(yù)定的溫度小的情況下，加熱裝置進(jìn)行控制加熱，當(dāng)實(shí)際溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，采取自然降低溫度的方法降低溫度。在運(yùn)行鍵盤掃描時(shí)會(huì)重復(fù)上述階段。系統(tǒng)軟件程序執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件程序執(zhí)行流程圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)將單片機(jī)、按鍵檢測、液晶顯示、溫度檢測等模塊應(yīng)用到解決淬火爐溫度控制的問題中。通過單片機(jī)程序控制可控加熱元件開啟/關(guān)閉，從而來恒定加熱溫度。同時(shí)設(shè)置按鍵調(diào)節(jié)溫度功能，實(shí)現(xiàn)了自由控制淬火爐的溫度的功能,使淬火爐的溫度能夠滿足淬火工藝的需要。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地控制淬火爐溫區(qū)的溫度,減少損失,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn),降低勞動(dòng)成本,所以淬火爐的溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。