热镀锌工艺中助镀剂温度监控系统设计

张计风，王宝珠，贾科进，刘艳彬

（1.河北工业大学 信息工程学院，天津 300401；2.中国人民解放军空军93756部队 电子教研室，天津 300133）

热镀锌是目前防止钢铁构件氧化生锈的最有效办法。热镀锌工艺流程中，溶剂助镀是其中非常重要的一环，其目的是防止预镀件生锈。助镀槽内的溶液为氯化锌和氯化铵的混合液[1]。氯化锌的作用在于形成保护膜，减少工件从酸洗到热镀锌过程中的氧化；氯化铵可以降低钢件表面氧化铁的残存。助镀槽温度是一项非常重要的工艺参数，通常需要控制在 60～70℃。

文中介绍了一款由单片机 AT89S52和新型的智能集成温度传感器 DS18B20以及LCD显示器等部件实现的助镀槽温度测量及报警系统。同时在设计方面做了功能的扩展，键盘是用来设置上下限报警温度，且测量准确、误差小[2-3]。单片机可把由DS18B20传来的数据传输到显示模块，实现温度的实时显示，并将温度数据与设定的上下限值进行比较，当温度超过给定的最高温度或者低于给定的最低温度时，系统通过蜂鸣器报警，同时打开继电器以控制执行机构，调整助镀槽温度。

1 系统整体设计

为了实现对助镀剂温度的实时监测，同时由于所采集的数据量不很大，考虑到成本问题，本系统设计选用了ATMEL公司的AT89S52单片机作为主控芯片，由于该芯片内含8 kB的EEPROM，因而无需外加存储器，其电路简单可靠[4-5]。该系统主要由4个模块组成：温度采集模块、温度显示模块、超限报警模块和执行模块。系统的结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

2 硬件设计

2.1 温度采集电路设计

温度传感器采用DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20，它是最新的“一线器件”，体积小、适用电压宽、经济方便，DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率精度为±0.5℃，温度采集具有准确性、实时性[6-8]。

DS18B20的管脚排列如下：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

温度数据采集电路如图2所示。 电路采用单总线接口方式，温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度并从单片机的P3.5口输入，R13为上拉电阻。 电路采用数字信号输出可提高信号抗干扰能力和温度测量精度。 电路工作电压使用范围为3.0～5.5 V，采用外部供电方式。

图2 温度数据采集电路Fig.2 Circuit of temperature data collecting

2.2 温度显示电路设计

温度显示采用LCD1602。LCD即液晶显示器，是由液态晶体组成的显示屏。LCD1602可以显示两行，每行显示16个字符。显示内容可以为数字，字母，标点符号等。显示内容丰富，价格适中。工作温度范围为-20～+70℃。

温度显示电路如图3所示。P0.0～P0.7的输出信号和上拉电阻RP1接到LCD1602上进行显示。 P2.0、P2.1和 P2.2分别连接RS、RW、E位，通过编程实现单片机对这3个位的控制，进而实现LCD1602的初始化及显示功能。

图3 温度显示电路Fig.3 Circuit of temperature displaying

系统可实现温度上下限的调整，图3中的TH为温度上限标志，TL为温度下限标志，可根据实际工艺需求自行设定，具有一定的灵活性和可移植性。

2.3 超限报警电路设计

采用无源蜂鸣器，通过编程提供方波脉冲信号，以实现蜂鸣器的发声。单片机从DS18B20采集现场温度数据，转换成二进制数后与预先设定好的温度阈值做比较，超限即送P3.6口连续方波脉冲信号，实现报警功能。越限报警电路如图4所示。

图4 越限报警电路Fig.4 Circuit of alarming

2.4 执行模块电路设计

当助镀剂温度低于60℃时，P3.7输出低电平，三极管导通，继电器开启，从而控制相应的加热装置，实现对助镀剂升温的控制；当温度达到70℃并超过这一值，P3.7输出高电平，继电器停止工作。此处二极管反向与继电器并接，当继电器外部电源停止供电时，线圈的反向电压通过二极管构成回路，对外部电路不会产生影响。执行模块电路如图5所示。

图5 执行模块电路Fig.5 Circuit of Executing

3 软件设计

单片机系统程序流程如图6所示。程序采用C51进行编程，DS18B20获取温度并转换，送入AT89S52单片机处理，然后通过LCD1602显示温度，完成温度的实时显示和越限报警。

图6 发送程序和参数调节程序Fig.6 Flow chart of main progrom

DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令与处理数据，这样才能对DS18B20进行预定的操作。单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少 480 μs，最多不能超过 960 μs。 然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答。DS18B20在接收到复位脉冲后等待 15～60 μs发出应答脉冲，应答脉冲持续 60～240 μs，单片机收到此信号表示复位成功[9-10]。

LCD1602的使用必须符合其基本操作时序：读状态、写指令、读数据和写数据。当忙碌标志位BF=0时，通过显示模式指令设置显示模式，从而实现数据的读写，即助镀剂温度的显示。

4 实验结果及其分析

电路板焊接和调试完毕后，将编写好的程序代码烧录到单片机里，取一杯白开水，放置几分钟，进行系统实测，并将DS18B20测量值与温度计测量值进行比较，结果如表1。可见，在60～70℃范围内，系统误差在+0.2℃，在热镀锌工艺中助镀剂温度所允许的误差范围内。并且出现高于70℃或低于60℃时，系统实现自动报警并启动相应的执行模块。此外，考虑到工业现场中，对DS18B20线长的要求不尽相同，为满足DS18B20的工作时序和通信协议，就需要根据实际情况调整程序和电路，以完成DS18B20和单片机之间的信号传递。

表1 系统实测温度对比Tab.1 Comparison of system measured temperature

5 结 论

本设计以AT89S52单片机为核心，采用 DS18B20为测温传感器，通过C语言开发了完整的软件程序，实现了在热镀锌工艺中对助镀剂的温度采集、温度显示、越限报警等功能。本设计可移植性很强，如果改变传感器并对调理电路和程序稍作修改，还可以实现热镀锌工艺中其他一些工艺参数的监控，如对酸洗液pH值的监控、对热镀锌锌液温度及高度的监控等，从而实现整个热镀锌工艺自动控制系统设计，具有较大的现实意义和实用价值。

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