【正文】 1 1 引 言 課題設(shè)計(jì)的目的和意義 在工業(yè)生產(chǎn)中，涂裝工藝占據(jù)著舉足輕重的地位。烘干又是涂裝工藝的三大主要工序之一，它使液態(tài)（濕態(tài)或粉態(tài)）的涂膜快速轉(zhuǎn)化為固態(tài)的漆膜，對(duì)生產(chǎn)效率、涂層質(zhì)量和涂裝成本等有直接的影響。 在干燥固化過(guò)程中，烘干爐內(nèi)各點(diǎn)的溫度是否能保證在規(guī)定的工藝要求范圍內(nèi)，將 對(duì)被涂裝的材料、產(chǎn)品、工件的質(zhì)量，降低能耗，以及提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重要的影響，而且隨著整機(jī)度的提高和元件的微型化、復(fù)雜化，在各種工業(yè)過(guò)程中對(duì)溫度工藝的要求越來(lái)越高。而我國(guó)目前采用的傳統(tǒng)的定點(diǎn)式烘干爐測(cè)溫方法已經(jīng)顯 得比較落后，無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝對(duì)溫度測(cè)量的要求。因此，本文提出了一種新型的爐溫檢測(cè)系統(tǒng) ， 即：烘干爐溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與成熟，給烘干爐爐溫的檢測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。由此，本烘干爐溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī) 系統(tǒng)對(duì)爐溫及爐內(nèi)工件的溫度進(jìn)行采集和處理，監(jiān)控烘干爐的熱加工過(guò)程以及產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) ，并實(shí)時(shí)顯示溫度值 。該系統(tǒng)能夠?qū)娓蔂t的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，以保證烘干爐的溫度處于合理的范圍之內(nèi)，便于生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并且優(yōu)化了生產(chǎn)過(guò)程，提高烘干爐熱加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低能耗。 由于目前國(guó)內(nèi)在烘干爐溫度檢測(cè)領(lǐng)域尚處于比較落后的階段，而隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種工業(yè)過(guò)程對(duì)溫度工藝的要求也越來(lái)越高，因此，需要采用更高性能的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。然而，從國(guó)外進(jìn)口的該類產(chǎn)品，其性能雖能滿足溫度工藝的要求，但其價(jià)格確實(shí)十分昂貴，一般企業(yè)難以承受，限制了它的推廣和應(yīng)用。研制烘干爐溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可以把國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和方法引入我國(guó)，大大降低我國(guó)烘干爐熱加工產(chǎn)品的成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，改變我 2 國(guó)熱加工領(lǐng)域測(cè)溫技術(shù)相對(duì)落后的現(xiàn)狀，推動(dòng)我國(guó)烘干爐溫度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí) 該課題的研究對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)效益以及工程技術(shù)都有極其深遠(yuǎn)的意義。 本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題 溫度檢測(cè)是一種利用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、和數(shù)據(jù)分析處理的一門新技術(shù)，是在生產(chǎn)過(guò)程中記錄和說(shuō)明熱加工產(chǎn)品與空氣溫度關(guān)系的技術(shù)，檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)被顯示為圖表或數(shù)字。由于在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度都是很重要的控制指標(biāo)，所以，溫度檢測(cè)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 國(guó)外的溫度檢測(cè)技術(shù)起于 80 年代，其先進(jìn)的技術(shù)可以以 1984 年成立的英國(guó)達(dá)塔帕克公司為代表。該公司于 1985 年首次生產(chǎn)出溫度檢測(cè)的產(chǎn)品，是 溫度檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)拓者。目前它的產(chǎn)品已遍布世界各地，主要生產(chǎn)精加工工業(yè)用烘干爐溫度追蹤儀、電子工業(yè)用回焊追蹤儀、熱處理工業(yè)用高溫爐溫追蹤儀、陶瓷工業(yè)用爐窖溫度追蹤儀、食品加工業(yè)用的多功能溫度追蹤儀等。國(guó)外的溫度檢測(cè)技術(shù)除了在理論上進(jìn)行的研究外，在實(shí)踐中更是日益成熟。國(guó)際上，另一個(gè)在該領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)代表就是波蘭，早在 1992 年就利用連續(xù)溫度監(jiān)測(cè)法預(yù)報(bào)煤井的瓦斯?fàn)顟B(tài)。國(guó)外的溫度檢測(cè)技術(shù)從普通的室溫監(jiān)測(cè)到高溫監(jiān)測(cè)技術(shù)，從遙感檢測(cè)技術(shù)到各種爐膛的內(nèi)部監(jiān)測(cè)技術(shù)，正隨著新技術(shù)的出現(xiàn)而不斷更新和發(fā)展。 隨著科技的進(jìn)步和計(jì)算 機(jī)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)從 90 年代開(kāi)始對(duì)溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行理論上的研究，在生產(chǎn)實(shí)踐中也進(jìn)行了一系列的應(yīng)用。比如在 2021 年杭州商學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系用 開(kāi)發(fā)出糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)軟件，利用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信、數(shù)據(jù)處理的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而我國(guó)采用的烘干爐溫度檢測(cè)方法一般是定點(diǎn)測(cè)量，即在爐內(nèi)留出測(cè)量孔，把傳感器通過(guò)測(cè)量孔伸到爐膛內(nèi)，對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是測(cè)量孔多了將影響烘干爐的保溫性能，而且，它所測(cè)量的溫度，在烘干爐長(zhǎng)度區(qū)間分布上不是連續(xù)的量，且存在測(cè) 3 量死區(qū)，另外，它無(wú)法測(cè)量烘干爐內(nèi)產(chǎn)品自身的溫度 。由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外部環(huán)境很不好，抗干擾問(wèn)題就成為計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)中必須要解決的問(wèn)題，而我國(guó)在此方面的技術(shù)與國(guó)外相比還存在較大差距 [1]。 單片機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 所謂單片機(jī)是指在一塊半導(dǎo)體硅片上集成了微處理 器 （ CPU）、存儲(chǔ)器和各種輸入、輸出接口（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，并行 I/O 口，串行口， A/D 轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器 PWM 等），即在這樣一塊芯片上能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能，因而被稱為單片微型機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。 1970年微型計(jì)算機(jī)研制成功之后，隨著就出現(xiàn)了單片機(jī)。美國(guó) Intel 公 司 1971 年生產(chǎn)的 4 位單片機(jī)4004 和 1972 年生產(chǎn)的雛形 8 位單片機(jī) 8008，特別是 1976 年 MCS48 單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，在短短的二十幾年間，經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣，她已滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。從 8 位單片機(jī)算起，其發(fā)展歷史大致如表 11 所示。 盡管目前單片機(jī)的品種很多，但其中最具典型性的當(dāng)數(shù) Intel 的 MCS51 系列單片機(jī)。MCS51 是在 MCS48 的基礎(chǔ)上于 80 年代初發(fā)展起來(lái)的，雖然它仍然是 8 位的單片機(jī)，但其功能有很大的增強(qiáng)。由于 PHILIPS、 ATMEL、 WELBORD、 LG 等近百家 IC 制造商都主產(chǎn) 51系列兼容產(chǎn)品，具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)。因此， MCS51 系列應(yīng)用非常廣泛。國(guó)內(nèi)尤以 Intel 的 MCS51 系列單片機(jī)應(yīng)用最廣。由于 8 位單片機(jī)的高性能 /價(jià)格比，估計(jì)近十年內(nèi)， 8 位單片機(jī)仍將是單片機(jī)中的主流機(jī)型。 表 11 單片機(jī)的發(fā)展歷史 年代 代表產(chǎn)品 特 點(diǎn) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具 70 年代 MCS8048 采用 2~3μｍ 半導(dǎo)體工藝， 8 位 CPU， 仿真器 4 中后期 尋址能力小于 4K 字節(jié) 80 年代 8051 系列 6805 系列 Intel 的 96/98 系列 采 用 2~3μｍ 半導(dǎo)體工藝， 8 位或 16位 CPU，尋址能力小于 4K 字節(jié) 仿真器、匯編器、編程器 90 年代 Intel 的 8196/29 251/930； philipsP51xA。 Siemens166/167 系列 。 日立的 5H3 系列 采用 ~ 半導(dǎo)體工藝， 8 位、16 位或 32 位的 CPU，或 32 位的內(nèi)部總線，芯片采用流水線結(jié)構(gòu)及寬總線結(jié)構(gòu)，尋址能力 16~32M 字節(jié) 由 RTOS+Compliler+ICE 組成的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中 RTOS，即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)； Compliler：基于嵌入式系統(tǒng) 的工程語(yǔ)言編譯器； IEC：即實(shí)時(shí)在線仿真器 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備的小型化、智能化發(fā)展，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、使用靈活等優(yōu)勢(shì)，顯示出很強(qiáng)的生命力。它和一般的集成電路相比有較好的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境的溫度和濕度都有較好的適應(yīng)性，可以在工業(yè)條件下穩(wěn)定工作。且單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，提高它們的測(cè)量速度和精度，加強(qiáng)控制功能；單片機(jī)也廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，例如對(duì)工業(yè)中各種窖、爐的溫度、酸度、 化學(xué)成分的測(cè)量和控制。將測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù) 處 理和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作處于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。從航空航天、地質(zhì)石油、冶金采礦、機(jī)械電子、輕工紡織等行業(yè)的系統(tǒng)分布與智能控制以及機(jī)電一體化設(shè)備產(chǎn)品的到郵電通信、日用設(shè)備和器械，單片 5 機(jī)都發(fā)揮了巨大作用 [2]。其應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面： 1. 工業(yè)自動(dòng)化 在自動(dòng)化技術(shù)中，無(wú)論是過(guò)程控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集還是測(cè)控技術(shù)，都離不開(kāi)單片機(jī)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用，在這種集機(jī)械、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)中，單片機(jī)將發(fā)揮非常重要的作用。 2. 智能儀器儀表 目前對(duì)儀器儀表的自動(dòng)化和智能化要求越來(lái)越高。在智能儀器儀表中，單片機(jī)應(yīng)用十分普及。單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。 3．消費(fèi)類電子產(chǎn)品 該應(yīng)用主要反映在家電領(lǐng)域。目前家電產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高其智能化程度。例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、微波爐、手機(jī)、 IC 卡、汽車電子設(shè)備等。在這些設(shè)備中使用了單片機(jī)后，其功能和性能大大提高， 并實(shí)現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。 4．通信方面 在調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)以及各種通信設(shè)備，單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 5．武器裝備 在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚(yú)雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)深入其中。 6．終端及外部設(shè)備控制 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中，如銀行終端以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，如打印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等，在這些設(shè)備中都使用了單片機(jī)。 6 7．多機(jī)分布式系統(tǒng) 可用多片單片機(jī)構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng)，它使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。 本課題以單片機(jī)作為控制器， 進(jìn)一步研究單片機(jī)在自動(dòng)檢測(cè)及控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求如下 : 該系統(tǒng)要求用爐溫自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)烘干爐溫度進(jìn)行檢測(cè)。爐溫自動(dòng)檢測(cè)儀具有 4個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道可采集 3600個(gè)數(shù)據(jù)。 溫度檢測(cè)范圍： 0℃ 300℃ ； 溫度檢測(cè)精度： 1℃。 溫度檢測(cè)采樣間隔： 1秒 — 4分鐘可調(diào)。 系統(tǒng)工作電源： 9V DC 系統(tǒng)工作溫度： 0℃ 70℃ 能準(zhǔn)確顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫度值。 根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 ， 本設(shè)計(jì) 采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)爐溫及爐內(nèi)工件的溫度進(jìn)行采集和處理，監(jiān)控烘干爐的熱加工過(guò)程以及產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)顯示溫度值。該系統(tǒng) 能 夠?qū)娓蔂t的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，以保證烘干爐的溫度處于合理的范圍之內(nèi)，便于生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并且優(yōu)化了生產(chǎn)過(guò)程，提高烘干爐熱加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低能耗。本設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了 本專業(yè)電子技術(shù)、微機(jī)原理、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的內(nèi)容。其具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1．控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖。 2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：包括 溫度傳感器的選擇、 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、 A/D的選擇及接口設(shè)計(jì)、CPU的選擇 、鍵盤及顯示模塊的設(shè)計(jì)等。 7 3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：含溫度檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 鍵盤及顯示模塊 等。 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下： 1． 傳感器的選擇 2． 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 3． 實(shí)時(shí)顯示模塊的設(shè)計(jì) 2 烘干爐溫 度 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 方案 的確定 方案論證 方案一： 該系統(tǒng)采用 8031 單片機(jī)作為主機(jī)，包括信號(hào)采集及處理電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，按鍵輸入電路， LED 顯示電路以及嗡鳴器電路。該系統(tǒng)基本能完成設(shè)計(jì)要求，但選用 8031 單片機(jī)需要外 擴(kuò) 程序存儲(chǔ)器， 接線復(fù)雜， 并且 此 方案的抗干擾性能較差 。其 結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 21 方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 信號(hào)采集及 處理電路 A/D 轉(zhuǎn)換 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 3 位 LED 顯示器 LED 顯示器 驅(qū)動(dòng)電路 8031 單片機(jī) 按鍵輸入 8 方案二： 該系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機(jī)、多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)處理及放大、采樣保持、 A/D 轉(zhuǎn)換、 穩(wěn)壓 電源、鍵盤 及 顯示、串行通訊模塊、看門狗等部分組成。其中單片機(jī)為系統(tǒng)的核心部分。四通道傳感器由多路開(kāi)關(guān)循環(huán)選通，被選中的溫度傳感器信號(hào)由信號(hào)處理電路進(jìn)行處理與放大之后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，再由單片機(jī)處理來(lái)自 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，電源采用電池供電，經(jīng)過(guò)DC/DC 變換電路處理后，構(gòu)成三路輸出的穩(wěn)壓電源，給整個(gè)系統(tǒng)提供 177。12V 及 +5V 電源?？撮T狗采用硬件看門狗電路， 防止程序跑飛。 為了擴(kuò)展該系統(tǒng)的功能，設(shè)置了 串行通訊模塊 ， 用于上位機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行通訊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示 。 圖 22 方案二系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 顯 示 鍵 盤 8279 串行口通訊模塊 看門狗電路 穩(wěn)壓 電源 A/D 轉(zhuǎn)換 采樣保持 信號(hào)處理及放大 多路開(kāi)關(guān) 烘干爐 AT89C51 單 片 機(jī) 9 方案確定 方案 一和方案二都采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大。單片機(jī)系統(tǒng)可用數(shù)碼管顯示溫度的實(shí)際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值，并可實(shí)現(xiàn)打印功能。 方案一采用 8031作為系統(tǒng)主機(jī) ，由于 8031 需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，接線復(fù)雜，并且 此 方案的抗干擾性能較差。而方案二在方案一的基礎(chǔ)上作了較大改進(jìn)，此方案采用 AT89C51 作為系統(tǒng)的主機(jī)，由于 AT 89C51芯片含有 內(nèi)部 EPROM，不需外擴(kuò) 程序 存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單 。 該方案 的鍵盤及顯示部分 采用 8279 通用鍵盤顯示，不僅能滿足設(shè)計(jì)要求 ，還有利于二次開(kāi)發(fā)。另外，此方案還采取了穩(wěn) 壓 電源、看門狗電路等抗干擾措施，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。方案二的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是設(shè)置了串行通訊接口， 可用于 擴(kuò)展該系統(tǒng)的功能， 這樣，使整個(gè)系