工业加热炉监控系统的硬件设计

徐晓霞

（西安工业大学 北方信息工程学院 电子信息系，陕西 西安710025）

工业加热炉监控系统的硬件设计

徐晓霞

（西安工业大学 北方信息工程学院 电子信息系，陕西 西安710025）

加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。本文基于单片机设计一个工业加热炉监控系统，即以单片机为主控系统，温度传感器采集信号和处理信号，并且能够在LED显示器上实现实时显示。通过设计硬件原理图，并详细论述各个硬件组成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件，将其应用于工业加热炉监控系统。经过在PROTEUS软件上测试，温度采集范围在400～1 000摄氏度，精确到1摄氏度，实现了预期的目标。

单片机；温度传感器；时钟芯片；声光报警

当代在我国出现了严重的环境污染和空气污染，造成了雾霾围困首都北京，并且雾霾随之席卷了17个省市自治区，影响四分之一国土面积以及6亿人的生活。雾霾严重的主要是经济发达地区和重化工业突出地区。随着我国经济的迅速发展，能源短缺和环境空气已成为制约我国工业发展的重要阻碍因素，社会各界积极响应节能减排。工业生产将是治理和发展的重要区域。加热炉是冶金工业的主要耗能设备。如何保证被加热后的金属能够在有效轧制前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究的主要方向。近年来由于各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。单片机技术的运用与发展以及各种先进控制理论的形成，为我们开拓新的控制技术提供了条件。因为单片机的体积小、价格低廉、可靠性高，可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元，受到广大工程技术人员的重视。在这样一个背景下，本设计选用基于单片机的工业加热炉控制系统作为研究对象[1]。

1 系统设计框图及技术指标

框图分单片机、温度信号采集及处理模块、声光报警模块、键盘模块、时钟模块和显示模块。当温度采集模块中的温度传感器采集到温度数据后，经放大电路和A/D转化处理，将采集到的模拟信号变成数字信号输入到单片机进行处理并显示出温度。时钟模块显示出当前准确的时间，这样就显示出实时温度，当温度不在设定的范围内，启动声光报警。

技术指标：温度采集范围400～1 000摄氏度，精确到1摄氏度，显示要4位温度，6位时间，两者之间要区分，共10位显示，这样可以显示实时温度。键盘要16个键，10个数字键，5个功能键：复位、确认、设置、上限、下限，1预留功能按键。如图1所示。

图1 系统总框图

2 硬件电路设计

2.1 信号采集模块电路设计

本设计主要研究温度这个参数。所以在信号采集模块的电路设计要用到温度传感器，本课题选用K型热电偶MAX6675。

MAX6675是一个复杂的热电偶数字转换器，带有一个内置的12位模拟数字转换器模数转换器（ADC）[2-3]。MAX6675还包含了冷结补偿传感和校正，数字控制器，一个SPI兼容接口，以及相关的控制逻辑。MAX6675 VCC：电源端需要接5V的工作电源。T-：连接热电偶负极（使用时接地）；T+：与热电偶正极连接；SCK：串行时钟输入连接单片机的P21接口；CS：片选信号连接到单片机的P2.2接口；SO：串行数据输出连接单片机P3.5接口；GND：接地端；NC：悬空，不用。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰，所以芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。温度采集模块电路如图2所示。

图2 温度采集模块电路图

2.2 键盘模块电路设计

在按键键盘选择时可分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。独立式键盘接口每个按键占用一条I/O线，I/O口利用率不高，但程序编译简单，适用于所需按键较少的情况。行列式键盘接口电路连接复杂但提高了I/O口利用率，软件编程较复杂，适用于所需按键量多的场合。结合本课题需用16个按键较多，所以选择行列式键盘接口。如图3所示。

图3 键盘模块电路图

2.3 单片机模块电路设计

此次设计主控部分使用的是AT89C51单片机。本部分是系统的控制电路，以单片机作为控制核心，实现接收温度信号进行处理，并输出显示温度。该部分电路包括为单片机提供工作信号脉冲的震荡电路，按键复位电路及上电复位电路等[4-6]。

单片机的振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，分别连接XTAL1和XTAL2引脚在芯片外并接11.0529 MHz石英晶体振荡器和两只30pF电容，一起构成并联振荡电路，用于产生振荡脉冲。复位电路采用上电复位，通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现复位。电路如图4所示。

图4 单片机复位和震荡电路

2.4 显示电路设计

设计选用10位8段共阴极数码管组成LED显示屏，显示6位时间和4位温度。在设计显示模块是由于数码管较多，所以用到HD7279。HD7279是一片具有串行接口的，可驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。HD7279接口中VDD接5 V工作电源，28端口接5V电源，RC接RC振荡电路供系统工作。显示电路如图5所示。

2.5 时钟模块电路设计

设计选用DS1302时钟芯片。DS1302的引脚排列，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。X1和X2是振荡源，外接32.768 kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。I/O为串行数据输入输出端（双向）。SCLK为时钟输入端采用三线接口与CPU进行同布通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或者RAM数据。本电路由Y构成起镇。3 V的纽扣电池构成掉电保护电路。给SCLK、I/O和RES这3个管脚加上拉电阻提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力。时钟电路设计如图6所示。

图5 显示模块电路

图6 时钟电路

2.6 报警模块电路设计

报警模块的设计利用蜂鸣器和发光二极管模拟声光报警。5 V电源分别连接PNP一端和发光二极管，在分别连接电阻最后汇聚连接单片机P2.4端口。三极管另一段接蜂鸣器，蜂鸣器另一端接地。电路如图7所示。

图7 报警模块电路

3 系统调试

3.1 仿真调试

首先打开PROTEUS系统软件；在PROTEUS的p中选择所需要的零件有电阻RES、电容CAP、电解电容CAP-ELEC、开关BUTTON、晶振CRYSTAL、LED显示屏、蜂鸣器、二极管、发光二极管、DS1302、MAX6675、单片机AT89C51等。按照PROTEL中的原理图在PROTEUS中绘制出需要仿真和调试的电路。各模块电路设计完成后，调入已编译好的软件程序代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。当在T+端口输入的数值，经过单片机对比处理并将温度显示在4位显示器，6位显示器显示时间。如果温度不在400～1 000摄氏度范围，报警模块启动声光报警，经过主要模块的测试无错误后将系统总程序在KEIL软件编译运行无错误生产HEX文件，并导入将要测试的系统总图。运行后结果如图8所示。

3.2 调试结果

经过在PROTEUS软件上测试，本课题设计的系统实现了预期的目标：以单片为核心，经过温度采集模块采集处理的温度数据可以在4位显示屏上显示出来，在6位显示屏上显示出时钟模块输入准确时间。实现了实时显示温度，并且当采集的温度不在预设的温度范围300至1000摄氏度启动声光报警。

4结 论

本课题按照预定的目标完成了温度模块、按键模块、单片机模块、报警模块时钟和显示模块的设计，整个系统完成了预定的功能。此次工业加热炉监控系统设计，成本低廉，制作简单，有利于推广给小企业，这对于社会将是环保和经济价值。

图8 仿真调试电路图

[1]周航慈.单片机程序设计基础[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.

[2]李玉峰，倪红霞.MCS-51系列单片机原理与接口技术[M].北京:人民邮电出版社，2004.

[3]王幸之，钟爱琴，等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，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 稿件编号：201509158

徐晓霞（1984—），女，山西大同人，硕士研究生，讲师。研究方向:仿真技术、信号与信息处理、模糊控制等。