挂蜡机控制器设计

摘要：介绍挂蜡机控制器的设计方法，采用单片机控制，系统由键盘电路、单片机、A／D转换器、液晶显示器、时间电路和驱动电路等组成。根据系统要求，对单片机选择、键盘接口、时间电路接口、液晶显示电路接口、A／D转换器接口和驱动电路的设计作了较详细的介绍，并对电路的工作原理进行了介绍。
关键词：单片机；液晶显示器；时间电路；A／D转换器；温度传感器

1 控制器功能
    挂蜡机控制器是根据用户对系统的要求研发而成的。该产品是膛体在出厂、封存时，需要在膛体内表面均匀涂一层防护蜡，采用人工操作费时费力，需要的劳动力较多，增加了企业的经济负担。基于此，挂蜡机运用单片机控制技术，采用选择性一键式操作，自动完成蜡加温、保温、挂蜡全部过程。简单快捷完成挂蜡任务，解放了生产劳动力，有利于企业经济发展。

2 技术指标
    ●蜡加温的温度：最高120℃；
    ●蜡保温的温度；95℃～100℃；
    ●膛体内挂蜡厚度：1～2毫米；
    ●一键操作，整个挂蜡过程全部自动完成；
    ●可对温度和时间等进行设定。

3 功能分析
    膛体的出厂、封存是与其它相关部分形成一套完整设备时，进行出厂、封存，因此挂蜡任务必需在整套设备成品区完成；而蜡体在常温常压状态下为固态，完成均匀挂蜡任务较困难。综合分析，完成均匀挂蜡任务，必需对蜡体进行解溶，将挂蜡机与膛体连接，形成一套完整的挂蜡系统，因此挂蜡机控制器必需具备以下功能：
    (1)蜡体和膛体加温功能；
    (2)对储蜡箱的温度和膛体温度进行检测功能；
    (3)自动挂蜡功能；
    (4)对温度和时间等进行设定的功能。

4 设计方案
4．1 设计原则
    (1)可靠性、安全性要符合人性化设计原理；
    (2)控制系统设计，采用单片机控制技术，一键式操作，操作简单，操作、维护人员少。
4．2 加热、恒温系统
    加热、恒温的执行机构均采用电热管，升温并恒温蜡，保持蜡为液态。本系统分为存储箱加热装置和恒温装置两个部分，用以保证挂蜡前蜡体为液态。
    加热、恒温系统完全自动化控制，采用温度传感器来监测温度，用单片机控制加热的时间与恒温启动的时间。加热温度最高为120℃，恒温温度最高为95℃～100℃。
    存储箱加热、恒温装置安装于箱体底部，温控信号的输入、输出由单片机直接控制，控制器安装于箱体外。
4．3 控制系统
    控制系统采用单片机控制，硬件由单片机及接口电路、温度传感器、显示电路、键盘电路和加温驱动电路等组成。软件完成对以上各部分的控制，可完成对整个系统控制，整个设备中的加热、恒温、挂蜡等均由单片机控制，操作员只需在控制面板上选择操作命令即可。

5 系统控制要求
    (1)对两个模拟信号进行采集：箱体温度和膛体温度(NTC电阻信号，4～20mA信号)。
    (2)有二个输出控制点：二个开关输出(给箱体和膛体加温)。
    (3)控制要求：实测箱体温度值与设定温度值比较，当实测温度低于设定的最低温度值时，闭合1号开关，给箱体加温。当实测温度高于设定的最高温度值时，打开1号开关，停止箱体加温。实测膛体温度值与设定温度值比较，当实测温度低于设定的最低温度值时，闭合2号开关，给管腔加温。当实测温度高于设定的最高温度值时，打开2号开关，停止管腔加温。系统带实时时钟。
    (4)显示要求：液晶文本显示，显示两个测量温度，分别显示加温和保温状态，显示实时时钟。
    (5)设计一组键盘：对温度的控制范围等进行设置和挂蜡的启停控制。

6 系统设计
6．1 系统框图
    根据系统要求所设计的硬件系统如图1所示，其由9部分组成，各部分的作用如下：

    (1)键盘电路：对系统进行各种参数的设置和对系统进行控制，共设6个键。
    (2)时间电路：产生系统的日期和时间，如产生年、月、日、时、分、秒，并对这些参数进行存储。
    (3)单片机：是系统的核心，用它对系统各部分进行管理控制。
    (4)电源电路：对220 V交流电压进行变压、稳压，产生系统所需的各种电压。
    (5)显示电路：用来显示系统的工作情况，如温度、日期和时间。
    (6)A／D转换电路：将温度传感器检测到的模拟电压转换成数字量输入单片机。
    (7)温度传感器：将测试点温度的变化转换成电流送A／D转换器。
    (8)驱动电路：将单片机输出的控制信号变成执行机构所需功率的驱动信号送执行机构。
    (9)执行机构：在驱动信号的作用下，完成最终任务的执行。
6．2 系统电路设计
    各部分电路设计，根据系统要求和以上系统框图1进行了电路的详细设计，下面就各电路芯片的选择和电路设计作一介绍，电路原理图如图2所示。

6．2．1 键盘电路设计
    该部分的功能是对系统进行各种参数的设置和对系统进行控制。参数设置主要包括对箱体和膛体的温度值进行设定，另一就是对日期和时间进行设置。控制主要包括启动、停止和各种参数的选择等。由于系统要求功能不多，所以共设置了6个键，这6个键与单片机的P20～P25相连，由于单片机的引脚目前还够用，所以采用最简单的连接方式。
6．2．2 时间电路
    系统要求显示日期和时间，单片机虽然可以产生系统的日期和时间，一但系统关机后，日期和时间将无法统计，所以选择了时间电路DS1302。此电路可自动对日期和时间进行统计，如产生年、月、日、时、分、秒，并对这些参数进行存储。当需要显示日期和时间时，单片机直接从DS1302读取，经处理后送液晶显示器。
6．2．3 单片机的选择
    单片机是系统的核心部分，用它对系统各部分进行管理控制。根据系统要求选择了AT89C52，AT89C52有4个8位的并口，8KB闪存等，完全可以满足系统要求。单片机与其它各部分的连接全部采用直接连接方式，这样可使系统结构简单，使用器件少，成本低等优点。
6．2．4 电源电路设计
    电源电路采用变压器对220 V交流变压，变成12 V经整流器整流滤波，供继电器使用，再经三端稳压器稳压后产生+5 V后供单片机和其它需+5 V的电路使用。+5 V的另一路就是对可充电电池充电，供DS1302使用。
6．2．5 显示电路设计
    由于系统要求显示汉字，行数为4行。所以选择了OCMJ4X8C-8点阵式液晶屏，其内部有显示RAM，字型产生器，内置2M位中文字型ROM，总共提供8192中文字型(16 x16点阵)，16K位半宽字型ROM，总共提供126个(16×8点阵)，点阵数为128 x 64，共可显示4行，每行8个汉字。单片机通过P0口传输信息，用P1口的对应位传输控制信号。我们用此显示屏来显示系统的工作情况：如设置温度、压力，实测温度和压力，日期和时间等。
6．2．6 A／D转换电路设计
    要求能对两路模拟电压进行转换，将温度和压力传感器检测到的模拟电压转换成数字量输入单片机。这里选用了8路模数转换器ADC0809，电路通过P0口输入数据，通过P15、P16和P17对其进行控制。
6．2．7 温度传感器选择
    对膛体、箱体的温度进行测试，将测试点的温度转换成4～20 mA电流送A／D转换器。供单片机分析判断。
6．2．8 驱动电路设计
    其驱动电路的作用是将单片机输出的控制信号变成执行机构所需功率的驱动信号送执行机构。由于被控对象要求采用220 V交流电，因此采用了分立元件和继电器电路，由单片机的P33、P34共两路输出，经三极管驱动后使继电器吸合，接通220 V给执行机构供电。
6．2．9 执行机构
    图中末画出此部分电路图，单片机经驱动电路转换将TTL电平转换成220 V交流电压，送到相应的执行机构，如加温的电热管等，完成最终任务的执行。

7 结论
    根据用户的要求设计了图2所示电路，此电路采用了较先进的单片机、点阵式液晶显示器和时间电路等，电路结构简单。电路经组装、调试和运行，电路工作稳定可靠，完全符合设计要求。