1、小型精密制造车间的环境参数测控系统小型精密制造车间的环境参数测控系统参l匐似小型精密制造车问的环境参数测控系统梁洪涛(黑龙江省赛宝信息工程监理有限公司,哈尔滨150000)摘要:介绍环境温湿度实时测控系统的研制思路和方法.该装置可实现特定场所环境温度,湿度的实时测量和显示.对其网络协议控制方法,电路的硬件选择进行分析,最终使测控系统能方便地应用于包括精密制造车间等在内的对温湿度测控有较高要求的场合.关键词:精密制造车间;环境测控;温湿度传感器;网络协议中图分类号:TP273文献标识码:B文章编号:10090134(2002)08006204,0引言生产及科研场地的环境条件主要包括温度,湿度,洁
2、净度和室内空气流通度等,其中的温湿度指标是较为重要的参数,不论是精密加工,仓储管理,图书保存还是工业测量与计量检定,都需要符合操作规定的温湿度环境条件.随着现代精密加工技术的飞速发展,对精密制造车间微观环境中的各项物理参数的精确检测和调整变得日益迫切.产品品质和生产效率对环境参数的要求和依赖性不断增强.而现代化信息化技术和电子技术的发展为经济而有效地实现实时,精确的环境监制提供了可能.各类环境测控系统和解决方案应运而生,担负起协调适宜的机房温度,湿度以及洁净度等的重任,并被誉为现代化生产环节的”守护天使”.1自动检测技术的发展及原理.-_-.-.-.-.-_-.-.-.-图1自动检测系统的组成
3、+数据所谓自动检测,是指由计算机进行控制对系统,设备和部件进行性能检测和故障诊断,是性能检测,连续监测,故障检测和故障定位的总称.现代自动检测技术是计算机技术,微电子技术,信息论,控制论,测量技术,传感技术等学科发展的产物,是这些学科在解决系统,设备,部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物.自动检测系统(ATS)是一个不断发展的概念,随着各种高新技术在检测领域的运用,它不断被赋予各种新的内容和组织形式.因此,以现代电子设备的自动检测系统组成原理框图,如图1所示,说明当前自动检测系统的基本组成.2精密制造车间环境要求现代化高精度生产设备的良好运行,对环境的要求是全方位的,严格的甚至是苛刻
4、的,其中精密零部件制造车间更为甚之.其中,温度,湿度和洁净度作为最为主要的指标更是一个也不能少.温度:由于电子仪器和高精度加工设备在运行时都有严格的温度范围要求,温度偏高会导致仪器中电子元件的性能降低,使用寿命缩短,降低绝缘性能;温度偏低会使电容,电感,电阻器的参数改变,直接影响生产环节中各类电子仪器的寿命和精度.进而影响对加工零部件的测量和对生产设备的精确控制.同时,温度的超范围波动也使生产加工设备的关键金属部件的物理尺寸发生肉眼难以察觉的微小变化,而此类极细微的变化,在微米级加工环节却可能意味着大量残次品的出现.湿度:在精密仪器制造车间,对于湿度的要求收稿日期:20070522作吉简介:梁
5、洪涛(1967一),男,哈尔滨人,多年从事机电一体化,自动控制等的设计及施工监理工作.621第29卷第8期200708,l訇化同样严格,其重要性不容小觑.湿度偏高会使金属材料表面氧化腐蚀,润滑油物化性能改变,电气绝缘材料的绝缘强度减弱;湿度偏低容易产生静电,而静电吸附灰尘造成设备,产品表面污染,静电还会干扰,损坏电子设备等.研究表明,静电不仅会使电气设备出现随机故障,而且还会导致某些元器件,如CMOS,MOS电路,双级性电路等的击穿和毁坏,被称为”电子元件的杀手”.从静电产生的机理来看,提供适宜的湿度将是一个重要的预防措施.其他:除了温度和湿度,车间对空气的洁净度也有着严格的要求.空气中的尘埃
6、,腐蚀性气体等不仅会直接降低产品品质,而且会严重损坏电子元器件,降低机械寿命和加工精度,引起接触不良,短路和磨损,进而间接影响产品质量和生产效率.3环境参数测控系统组成3-1系统作用概述本文介绍的温湿度实时控制装置可在050和20%98%RH(相对湿度)的范围内任意设定温湿度值,其附加的通信接口可方便地实现与计算机的实时通信,而且便于功能的扩展,可保证温度,湿度满足设计指标.该装置可实现的功能如下:?在050C和20%98%RH间可任意设定温湿度控制点;?可以实时监测环境温湿度的变化情况,并记录,存储相关数据;?对环境温湿度的控制可满足设计指标;?具有多点定时设备控制电路,便于功能扩展;?设有
7、语音提示功能,可方便地实现仪器操作和工作管理提示;?配有通信接口,可方便地与计算机进行通信;?温湿度控制的精度分别为:温度(050C)0.5;湿度(20%98%RH)2%3%RH.?协和网络协议,计算机部分能够对整个车间进行智能化环境测控.3.2系统组成智能传感温湿实时环境测控系统主要由单片机,传感器和网络协议等组成.其中温湿度检测装置最为重要.网络协议主要用于检测系统与计算机之间的互联,实现智能测控.(1)硬件设计该装置的硬件框图如图2所示.它主要由单片机PIC16C73及外部电路构成.PIC16C73是由美国Microchip公司生产的8位单片微机,采用Harvard结构,这种结构可使指令
8、执行和取指操作重叠进行,因而具有很高的执行速度.它只有35条单字节指令,除了跳转指令是2周期指令l/2EL7556电源括魔震437On*SVSK2l毒t1,11IIA21lR酗R舢一3PlC16C73跫AO毒tC孽毒囊e占,霞矗3图2温湿检测装置硬件框图EPROM第29卷第8期200708631器参l匐出外,其它指令都是单周期指令.PIC16C73外接温湿度采样电路及电器驱动电路,因而可实现对温湿度的控制.该系统硬件主要包括本机地址设定电路,采样电路,键盘显示电路,看门狗电路,电器驱动电路,时间设置及定时驱动电路,RS一232通信等电路.(2)软件设计系统软件采用MCS一51汇编语言编写.采用
9、模块化的程序设计方法.包括主程序,中断服务程序,温湿度检测程序,语音处理程序,定时驱动程序,显示子程序等.主程序以循环方式工作,主要完成中断初始化,键盘扫描,温湿度检测,语音处理及显示子程序的循环调用等功能.主程序设计主程序是控制和管理的核心,主要完成在系统上电后进行定时器和中断处理操作的初始化.初始化主要完成对温湿度的设定和检查除定时器T09,的所有中断禁止,同时断开各电器的电源.初始化完成后,系统将开始正常运行,并进行温湿度检测,键盘扫描及定时处理等操作.温湿度处理子程序温度传感器选用DS1820,其软件的编写相对简单,DS1820输入单片机的信号为9位数字信号,它不需要进行转换.这里应注
10、意的是,软件控制单片机向DS1820发送的复位脉冲一定要大于1rns,否则软件将无法正常运行.3.3工作原理(1)温度检测电路温度检测电路选用Dallas公司生产的一线式数字温度传感器DS1820作为温度检测器件,该器件只有3个引脚(即电源VDD,地线GND,数据线DQ),且不需要外部元件,而是共用一条数据线进行通信,使用一根I/O线通信时,DS1820的电源电压是以寄生方式供电的,因此,只需将其VDD和GND端接地即可.该电路的检测温度范围为一55+125;精度为0.5;用9bit数字量来表示温度;每次将温度转换成数字量需200mS.采用3块DS1820来实现对实验室环境温度的检测.使用时可
11、分别将这3块DS1820放置在房间的不同位置.获得温度信息时,先由PIC16C73的RA2脚发送一个1mS的复位脉冲,以使DS1820复位后将向PIC16C73发送一个回应脉冲,PIC16C73接到回应脉冲后将发送读DS1820序列号的读ROM命令,以分别读取3个I641第29卷第8期2007-08DS1820的序列号(每一块DS1820有唯一的序列号);然后,PIC16C73再发出定位命令以选择在线的DS1820并进行温度转换.此时PIC16C73的RA1应输出一个保持2S以上的高电平信号来使SK214导通,从而提供DS1820在总线供电下进行温度转换时所需的lmA电流.当温度转换完成后,P
12、IC16C73的RA2脚会发送DS1820的存储命令,从而完成温度信息数据的转换和读取.(2)湿度检测电路湿度信号的获取采用电容式湿敏传感器作为湿度检测器件.环境湿度与传感器电容成线性关系,所以可方便地将湿度转换成PIC16C73可以接受的电信号,本例中采用EL7556来实现转换.EL7556由积分电路,基准电路,频率转换电路及频率一电压(F厂v)转换电路等组成,积分电路及R1,R2,C1用于产生一定频率的脉冲信号并从5脚送至8脚.调节R2可对该脉冲信号频率进行调整,从而使湿度传感器的线性和灵敏度处于较好状态;基准电路和频率转换电路可将湿度传感器的电容变化转换成频率变化,再经频率一电压转换电路
13、后从9脚输出与频率成线性的电压,然后经C3等滤波后送入PIC16C73的RA0端,再进行A/D转换以将其转换成数字信号.(3)定时及控制驱动电路定时主要用于提前预热仪器设备和定时语音提醒等,该功能的实现由单片机来完成.时钟频率选用32.768kHz,该频率可使单片机工作在最小功耗状态并可简化分频,定时程序的编写.可选用看门狗电路来作为定时基准,看门狗每18ms复位一次可确保时钟的准确及语音电路的播放操作.控制驱动电路用于保护仪器.各个电磁阀的导通要有一定的时间间隔,本例中为2分钟.设计时可用PIC16C73的RA3口作控制口,另外可外扩两片PCF8574以作备用.该系统最多可控制16个设备以满
14、足不同需要.继电器采用交流固态继电器,其内部采用光电隔离方式,可有效地避免电磁干扰.当单片机检测到温湿度信号超过设定值时,将从RA3口发出控制信号,并通过光耦产生大干5mA的触发电流使固态继电器启动相应的电器工作,从而实现对相应设备的控制.固态继电器可选择国产的H220D15.(4)语音电路语音电路用于完成多种语音提示.可选用台湾务l匐化Windond公司生产的语音处理芯片W513000.该器件除了支持按键直接控制话筒和喇叭的随录随放功能和快速搜索放音模式外,还具有完善的CPU微处理器控制模式,并可用单片机控制它的所有功能.其主要提供的语音信息为:加湿器,吸湿器水箱的水满和缺水报警.中午休息和
15、下班信息的提示.预约工作的提示,如可提示预先设置的工作计划安排等信息.语音的录制等操作可由键盘和PIC16C73完成.(5)通信和键盘显示电路为了更好地实现与上位计算机之间的通信和系统功能的扩展,该装置设有RS一232接口电路,通信速率可由用户在1200/2400/4800/9600比特等4种中通过键盘按需选择.该系统的键盘设有16个按键:09为10个数字键;A为设定功能选择键,B为设定完成确定键C为显示选择键,DF键则用于完成语音处理和通信等功能.对于温湿度的显示,则可采用4位LED动态分时完成.4结论基于智能传感器设计理念的新型传感器,系统的结构比较简单.体积比较小,精度高,实现了温,湿度
16、传感器的数字式输出,且具有免调试,免标定,无外围电路等特点,极大地方便了在嵌入式测控领域的应用.采用一线数字温度传感器DS1820来实现多点温度采样,所以可实现多点温度采样的集中控制.配置的RS一232接口可使多个这样的装置方便地与上位机(计算机)互联,以实现温湿度的测控,效果较好.结合精密仪器制造车间的环境需求,本设计方案比较易操作,便于配装,并且检测结果准确,灵敏,适用于环境监测要求较高的车间及严格性场地,如精密仪器制造车间,弹药储存等.参考文献:1唐述宏.单片机构成的环境温湿度实时测控装置设计J1.国外电子元器件,2002(3):12-13.2电子工程建设标准体系Z.信息产业部,2006
17、(8):2326.3孔韬,魏瑞轩,等.自动检测系统的发展现状及关键技术研究【J1.国外电子元件,1996(5):18-20.4李士勇.神经控制和智能控制理论M.哈尔滨工业大学出版社,1998.5659.5吴泉源.人工智能与专家系统fM.国防科技大学出版社,】995.】02105.兜兜兜兜兜兜翕兜兜兜兜翕翕翕j兜兜.翕兜.翕兜兜【上接第53页】发了相关硬件电路,实现对原始信号的放大,滤波等功能.对预处理的信号采用白行设计的专用信号采集板对信号进行采集.在神经网络样本制作模块中,本文结合比较成熟的信号处理方案进行信号的平滑和滤波.对处理后的信号,主要采用神经网络阵列进行模糊判断,以便对所采集的信号
18、作定性和定量的分析,因此要对各类焊缝缺陷的信号特征进行提取,然后由软件根据处理算法处理为网络样本,检测中主要获取的信号特征有:信号的绝对峰值;信号峰一峰值;波宽;波动面积等等.试验结果表明,本试验系统达到较理想的效果.4试验结论及应用根据本文所采用的方法,在对生产中各种类型压力容器焊缝试验的基础上,可得出如下结论:(1)针对常见的环形,纵向焊缝进行了研究,信号处理与诊断结果与采用传统无损检测(如x拍片)技术相比可以起到一致效果.(2)本文所研究的检测系统是结合现代计算机技术,传感器技术,数字信号处理技术以及人工智能技术的多学科综合技术,一改传统检测方法不便,成本高等缺点,可制作成各类便携式智能诊断仪.(3)检测系统可实现生产在线检测和使用中实时检测,提高生产成品率保证了使用的安全.参考文献:1杨叔于,康宜华,等.压力容器绳断丝定量检测原理与技术fJ】.北京:国防工业出版社,1995.99108.2胡广书.数字信号处理M.北京:清华大学出版社,1997,(8):207274.3周济,查建中,肖人彬.智能设计M.北京:高等教育出版社,1998(11:99117.4JB47301994.压力容器无损检测S.5JB47013-2000.钢制压力容器焊接工艺评定IS.6JB1501998.钢制压力容器S1.第29卷第8期200708651
