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便携式无氧退火炉温度检测系统的设计

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  • 发布时间:2014-08-04
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一鳗 廛 一 J便 携 式 元 氧 逗 犬 炉 温 度 检 测 系 统 的 设 计辽宁机电职业技术学院自动控制工程系 王 超 李鑫圭辽宁思凯科技股份有限公司研发中心 孙文君【摘要 】无氧退火炉是线缆行业对铜线芯进行处理的一道工序。工序中对温度的准确测量控制及保证无氧退火环境的可靠性是保证产品质量的关键。基于此,设计 了一套便携式无氧退火炉温度监测装置,它主要完成了多点温度采集、信号处理、高速AD采集及显示等功能。通过实际蒸汽测试结果表明,该系统具有良好的重复性、波动小等优点。

单片机广泛应用于制造工业 、过程控制 、通讯、仪器、仪表 、汽车、船舶、航空、航天和军事装备等工业领域,同工业 自动化紧密结合在一起,并相互推动。随着西电东送以及各地发电厂的建设,线缆有着巨大的需求。电线 电缆生产中,铜导体线芯在材料一定的情况下,常通过退火来改善其机械性能和导电性能,因此铜线的退火对电线电缆生产来说是极为重要的一个因素?。本文主要论证如何将温度检测、变送 电路的信号输入~UMSP430单片机,从而对退火炉进行温度控制1.硬件电路设计蒸汽保护无氧退火对温度的控制要求预 热和冷 却出炉温度一般为 120℃,加 热的上限温度,既保温温度根据线径粗细为350℃~600℃之间某一温度值,保温时间一般为2~3h。另外 ,要求在不同阶段的结束(或开始)要发出报警信号,提醒操作者对水蒸气等进行相应的控制。

系统由温度传感器检测信号,经过多路开关、放大电路等输入~UMSP430单片机,单片机则通过接 口控制电路对各部分进行控制 。系统原理图如图1所示。

图1系统组成框图F
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. 一 ! ??Ul6 VCC图2 3路温度传感器切换电路Fig.2 Set temperature sensor SWitch Ci rcuit1.1多路传感器电路温度传感器主要完成信 号转换,将温度信号转换成电信号,温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关 ,如表1所示。

我们选用SCY1一WRN一240,同时3个传感器通过多路开关74HC4052进行切换,如图2所示。SCYI—WRN一240热电偶用镍铬合金丝和镍硅合金丝分别作正极和负极,它的热电势与温度的关系近似成直线 ]。

1.2温度变送电路将温度转换为一定形式 的电信号送入温度变送 电路 ,它由0P-07放大器、差分电路组成。如图3,实际电路中采用低漂移高表1退火加热炉温度/数字量对照表Tab.1 The annea I i ng furnace temDerature/d i g i ta I CRT温度/℃ 0 100 I 200 300 400 500 600 J 700 I 800 l 900 1Ol0热电偶输出/my O 4.1O l 8.14 12.2l 16.40 20.65 24.90I29.13I33.29l 37.33 4l_66变送器输出/v O 0.49 l 0.98 1.47 1.97 2.48 2.99 I 3.50 l 4.00 l 4.48 5.OOA/D输 出/H 0 191 l 322 4B3 64E 7F0 99l I B33 l CCD l E56 FFF精度运放OP—O7芯片,可采用 R 进行调整0点Ⅲ。

当传感器信号经过74HC4052传递到温度变送电路后,经过一级放大与基准信号进行比差分比较器,输出到AD采样保持端,如图3所示。

图3温度变送电路Fig 3 TemDerature sensor Ci rcuit figure一 . 1一嚣r q ∞ 器 口 ] 怒图4 高速AD采集电路Fig 4 High—speed AD sampI i ng ci rcuit图5 MCU芯片电路Fig 5 MCU chiD ci rcuit1.3 AD采集电路AD采集电路是此系统的关键部分,为了保证采集 的精度 ,我们选用了AD7705及REFl92ES组合作为本系统的高速AD采集 电路。AD7705芯片与MCU的通信是通过SPI方式,并且可以满足一次性2个通道采集 ]。

在电路中,REFI92ES芯片为AD7705芯片提供图6电源供电电路Fig 6Power suppIY ci rcuitU6 LcD 26; l鲤l鳇《鳃2髂l煞鲤 j圈7 LCD显示驱动电路Fig 7 LCD di spIay driver ci rcuit图8主控流程图Fig.8 Main controI fIOW chart电 子 世界 一119一一I 一 应 ??????????一了参考电压,如图4所示。

1.4主控制电路本系统的MCU我们选择了MSP430F43X系列的单片机,它主要完成 了时序的配置、74HC4052的切换,AD采集芯片时序控制、AD采集电路的基准电压,对采集的数据进行处理等工作,如图5所示。

1.5电源供电电路本系统的电源电压采用6v提供的,经过120b50芯片后转为5V,提供给AD及单片机供电的电压,为了使得电源电压稳定,我们设计了D9、D8的二极管进行峰值滤波,并且对大的干扰波进行吸收滤波,如图6所示。

1.6 LCD驱动电路为了方便用户看到温度的数据值 ,我们设计了26引脚的LCD显示屏及驱动电路 ,它可 以满足温度的显示。由于MSP430F43X系统本身就带有LCD驱动,所 以我们将驱动配置 出即可,即在MCU的R03、R1 3、R23、R33上分别接1M的电阻,主要是为LCD提供电压,如图7所示。

2软件设计本系统 由主程序,中断服务程序等组成。采用MSP430的中断服务程序INT0完成数据采集与处理,采样周期1S。键盘中断服务程序INT1完成按下功能键的处理,为了满足精度要求,我们做了数据滤波的处理,使得数据更可靠。图8是主程序框图。

主函数和AD采集代码:#define HC4052 S1 SET P2OUT I=BIT0:#define HC4052 S1 CLR P20UT&一 (BITO):#define HC4052 SO SET P2OUT =BIT2:#defiFie HC4052 SO CLR P2OUT&一 (BIT2):int main(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD:InitDCO:MSP430Init 0:ADC12setup:InitBasieTimer 0:EINT:}VOid ADC12setup(void){ADC12CTL0=ADC120NSHTO=2(N=4)ADC12CTLl=SHPADC12CTL0 I=REF2 5VADC12CTLO =REFON:ADC12MCTLO =SREF 1:ADC12CTLO =ENCADCO=OxO0:}蕾 ? ? 。 ? ? ? . . ? . . ? . . . 幔.? ? ? ? ? ? ? 图9 蒸汽内的温度随着时间曲线Fig 9 As tin1e curves of temperature in the steam3.实验分析蒸汽保护无氧退火过程的控制要求,我们必须在实际应用中做一个测试分析。

我们将实验 台的蒸开,从7O℃开始升温至170℃左右,我们将带有传感器的玻璃罩放在蒸汽 中,通过LCD屏读取温度值随时间的变化,绘制如图9的曲线。

从图9的曲线中,我们看到随着时间的推移,炉温在升高,最后在11O分钟后 ,稳定在170℃,并且在2O分钟后再次测量 ,温度值基本没有变化,重复性良好。

4.结论通过实验论证,本系统的温度波动较小,并且在单点重复性良好,说明本系统的抗干扰能力强。若将系统做成便携式的,完全可以拓宽应用领域,所以本设计能有效满足蒸汽保护无氧退火过程的控制要求,希望对相关的领域有借鉴的作用。

参考文献[1】陈中华 蒸汽保护无氧退火炉 自动控温报警系统Ⅱ].辽宁工程技术大学(自然科学版),2000,19(2)[2]张庆玲 热电偶传感器测温系统的设计应用U J西北轻工业学院学报,2000,18(1)[3]何祥宇 基于热电偶的多通道测温系统设计与实现田.现代计算机,2010,3[4]苏威 高精度多路温度检测系统设计U]自动化技术 与应用,2007,26(2)[5]王玲 基于MSP430单片机的多路无线温度检测系统U】现代电子技术,2011,34(1)(上接第11 8页)在每个采样周期内DSP连续执行。主CPU使用硬件复位控制DSP的复位操作,DSP复位后运行片内ROM或加载~iJRAM中的系统主程序。DSP主程序有初始化程序、时钟循环等待中断程序组成。初始化程序完成所有变量的初始化,复位全部外设,并关闭所有输出。之后进入循环和等待中断的过程,检测到主机的命令后,读取命令并根据系统需要调用相应的处理程序,命令处理完成后再进入循环等待状态。

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1厂—— —] — — =二====]=二===== 一 L !竺苎竺 竺 II 竺竺! ——一1J }< 图5 DSP系统主程序流程圈图6 DSP系统命令 处理 程序流程 图命令处理程序是实现运动控制功能的关键程序,也是在每一个0.4ms采样周期内完成伺服回路的计算输出。此程序包括编码器信号接收、PWM信号输出、插补算法实现、控制算法实现、位置控制等功能的实现,还120一 l皂子世界包括完成数据写入和读取功能等,同时要对外部中断进行处理。每一个0.4ms采样周期内完成的DSP程序流程如图6所示。

SCARA下位机控制系统在执行插补程序时,采用查询标志位方式,在本系统的伺服插补算法设计中,根据硬件设计情况采用了在线插值处理方法,这样使得系统对内存资源空间占用较少,程序运行的实时性好。

3.2 uC1inux操作系统的U—boot的移植ARM7TDMI嵌入式架构,片内无内存控制器 (MMU),通过在处理器上移植uCl inux操作系统,uClinux内核采用对1ibc作了精简而得的uC1ibc,模块化的设计使它通过对内核的重新配置,实现系统运行所需要资源的最小化。uC1inux同标准Linnux的虚拟存储器管理功能,既减小了内核的体积,又增加了系统的实时性能。

对于PC机,其开机 的初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS完成的,但对于嵌入式系统来说,一般不配置B10S。

Boot Loader主要运行任务是初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,将 内核映像从硬盘上读~I]RAM中,然后跳转到 内核的入口点去运行,每种不同的CPU体系结构都有不同的Boot Loader,对于ARM而言常见的是U boot,具体步骤如下:对ARM7核处理器,U—boot.启动流程主要体现在3个文件上,即start.S,1ib arm/board.c和U boot/common/main.C。U—boot是在Linux环境下开发的,因此需要在Linux下进行编译,使用的操作系统为Fedora core7,下载arm—elf=toolS:20040427.sh,使用的编译器为arm—elf-gcc,在O—boot根目录下对其中的makefi1e文件进行相应的修改,编译连接后生成u—boot,u boot.bin,U boot.srec,其中的U boot.bin是二进制bin文件 ,通过创维特集成开发环境 白带的FLASH烧写工具载人~IJSDRAM中运行,从超级终端显示U—boot的启动信息,分别试验erase,cp,printenv,saveenv等命令,并检测对FLASH的操作;使用tftp命令,以检测网口下载功能,然后装载操作系统内核,完成以上任务则移植成功。经过 以上步骤移植的U—boot已经在 自己开发的ARM板上顺利地引导了uC1inux操作系统。

4 结束语本系统实现了以ARM来代替PC作为控制系统的主控机部分,对SCARA机器人进行准确控制。系统设计中采用模块化设计思想,将ARM,DSP等分别做成需要选择功能。成功的将U boot移植~IJs3C44BOX上,同时采用嵌入式uc1 inux操作系统的32位嵌入式微处理器,系统具有很强的可扩展性和稳定性他,同时采用液晶屏设计实现了人机交互。

参考文献【1方建,刘君义SCARA平面关节机器人通用运动控制器设计[Jj吉林工程技术师范学院学报,2008(07)[2]曾锦翔,方建军 基于ARM的SCARA农 业机器人控制系统设计与实现【Jl_微计算机信息,2010(8—2).

『3]田泽,嵌入式系统开发与应用教程【M_北京航空航天大学出版 社,2005,3.

I 4l李岩,荣盘祥 基于S3C44BOX嵌入式FCLinux系统原理及应用【M】.北京:清华大学出版社,2005,1f51李善平,刘文峰,等I inux与嵌入式系统【Ml北京:清华大学出版 社,2003[6】蒙智明,屈百达,徐保国基于ARM处理器的LCD控制及触摸屏接口设计U】微计算机信息,2007,23(20)作者简介:王小立 (1989 ),男,河南辉县人,西安工程大 学机 电工程 学院硕士研 究生,主要研究方向:机械设计。

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