一种基于单片机的钢水浇铸信息牌设计

吴兴中，程婷钰

(湖南湘潭钢铁集团有限公司，湖南 湘潭 411101）

文章已被机电一体化杂志社录用，机电一体化杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/jidianyitihua

摘  要：针对湖南湘潭钢铁集团公司连铸机无浇铸信息显示牌的现状和现实需求，设计了一种基于单片机的浇铸信息显示牌控制器。浇铸信息显示牌控制器实现了单片机与西门子PLC的通信，可显示重要的浇铸信息。实践结果表明，该浇铸信息显示牌控制器具有成本低、运行可靠、稳定、抗干扰能力强等优点，并具有较为广泛的应用前景。

关键词：单片机；显示牌

中图分类号：TP202    文献标识码：B

Design of molten steel casting information board based on single chip microcomputer

Wu Xing Zhong

(Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co., Ltd. Hunan province,Xiangtan 411101) 

Abstract:In view of the present situation and realistic demand of Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Corporation continuous casting machine without casting information display board, a casting information display board controller based on single chip computer is designed.The casting information display board controller realizes the communication between the single chip microcomputer and Siemens PLC, and can display the important casting information.The practical results show that the cast information display board controller has the advantages of low cost, reliable operation, stability and strong anti-interference ability, and has a wide range of applications.

Key words: MCU; display board

0 引言

随着控制技术的进步和成熟，控制芯片的稳定性和性价比越来越高，各种智能控制器也应运而生，用于替代过去的人工操作和控制，并取得了巨大的经济效益和超越人工控制的令人满意的效果^[1] 。

湖南湘潭钢铁集团公司炼钢厂有四台连铸机生产线，其中有三台铸机是上世纪九十年代设计的。受限于当时的技术条件和生产经验，在设计过程中有许多的不足和缺陷，这就给现场生产和操作带来了不便。众所周知，连铸机台上操作包括两个部分：一部分在主控室内通过操作上位机HMI画面控制和监视；另一部分在主控室外台上操作滑动水口控制结晶器液位、加入保护渣以及手动检测钢水温度等操作。主控室内、外操作人员需要时时关注现场生产数据，以便及时根据生产现场数据做出准确的判断，保证生产顺利地进行和产品质量的稳定。由于设计的不完善，主控室内的操作人员可以通过HMI实时地观察到现场生产数据，而主控室外面的操作人员由于没有类似HMI的画面，不能知道现场生产数据。主控室内、外信息联系是通过安装在现场的电话联系的，由于现场噪音大，声音可能听不清楚，基于这种情况，所以有时需要两地的操作人员进主控室当面交流。

基于此种情况，设计了一种基于单片机的钢水浇铸信息牌，钢水浇铸信息牌安装在主控室外，主控室外的操作人员可以一目了然的知道想要的数据信息，根据这些数据信息，便于做出最佳的控制手段，保证生产顺利地进行和产品质量的稳定。

1 系统结构及硬件设计

本系统控制原理图如图1所示，系统主要由PLC、上位机HMI、DP/RS485转换器、信息显示牌等组成。

系统设计思路：钢水温度、钢水重量等数据通过安装在现场的传感器被采集进入PLC系统。通过PLC硬件组态，使北京鼎实科技开发的现场总线转为RS485总线的产品 PB-B-RS485成为PLC系统中的一个节点（或者子站），钢水信息显示牌与 PB-B-RS485的RS485总线接口相连，PLC发送数据至PB-B-RS485，通过PB-B-RS485的RS485接口转换为钢水信息显示牌可识别的电信号，钢水信息显示牌把接收到的信息通过LED数码管显示出来。另外，PLC与上位机HMI之间通过以太网实现数据交换，钢水温度、钢水重量等数据信息实现在上位机HMI电脑上显示。

图1.系统控制原理图

钢水浇铸信息显示牌主要由单片机、看门狗电路、通信电路及显示电路等电路组成，如图2所示。其工作原理为：AT89S52单片机是钢水浇铸信息显示牌的控制中心，它负责接收PROFIBUS DP转RS485模块发送过来的数据。这些将要显示数据经过用户程序运算处理和控制，在经过单片机极少的I/O管脚控制串行转并行数据芯片74HC595，可把串行数据转换为并行数据。每一块74HC595芯片驱动一位LED数码管，这样就使LED数码管形成了静态显示。静态显示电路的优点就是LED数码管不会闪烁，显示稳定，直到有了新数据更新，LED数码管显示数据才会变化。为了防止单片机程序“飞跑”，发生不可预测的情况，设计了看门狗电路，使单片机程序“飞跑”时自动复位，让程序回归到正常执行状态，提高了系统的可靠性。

本系统选取的AT89S52单片机芯片作为控制中心，它是 Atmel公司生产的一种性价比非常高的一种 8位微控制器。 AT89S52单片机具有下列资源： Flash存储单元8K字节， RAM存储单元256字节，I/O端口32位，数据指针2个，16位定时器或计数器3个， 6向量2级中断结构1个，全双工串行口1个， 片内晶振及时钟电路等^[1,2,3]。

图2. 液位控制器控制结构图

1.1 PROFIBUS DP转RS485模块

PB-B-RS485 （PROFIBUS DP转RS485模块）是北京鼎实创新科技有限公司专门为工业自动化领域的串口设备接入PROFIBUS总线网络而开发的串口总线桥，如图3所示。它满足了常见的串口设备（如：条码枪、分析仪表、传感器、小型PLC等）接入PROFIBUS总线网络（如：西门子300、400PLC系统，ABB的800F系统等）的通信需求，具有如下特点：

图3  PB-B-RS485模块

1) 标准PROFIBUS-DP从站接口，符合IEC61158 TYPE3 PROFIBUS国际标准。波特率自适应9600～12Mbps；

2) 兼容主流PROFIBUS主站设备,如Siemens 300/400 PLC 、Beckhoff Dp主站、ABB 800F、欧姆龙主站、和利时 LK PLC、和利时DCS等；
3) RS485接口；
4)通过主站配置可选择串口波特率(600～57.6Kbps)、校验位(N、O、E)、停止位(1/2、1、2)；
5)有定时自动发送、触发发送方式可选，简化协议编程控制；

1.2 键盘电路

本系统设计了键盘电路，主要由参数键、增加键、减小键和确认键等4个键组成，参数键的功能用于选择要修改的参数，增加键的功能用于增加参数的数值，减小键的功能用于减小参数的数值，确认键的功能用于确认和保存修改的参数。键盘电路采用矩阵式键盘电路设计，一共4个按键占用了4个IO资源。

1.3 显示电路

红色的LED数码管相对于LCD液晶显示屏来说，色彩更炫丽、更能吸引人注目。在本设计中数码管是用来显示实时浇铸信息，需要让人一目了然，故炫丽的色彩是有必要的，故在本系统中选用红色的LED数码管作为显示屏。在本设计中，共有32位LED数码管和32片串行转并行数据芯片74HC595组成。每1位LED数码管使用1片74HC595芯片来驱动，数码管静态显示，这样设计避免了LED数码管闪烁的可能，简化了程序设计。

1.4 通信接口电路

由于PB-B-RS485 （PROFIBUS DP转RS485模块）给单片机提供的是RS485接口，故设计了RS485通信接口电路。RS485通信接口电路选用了MAX485，MAX485接口芯片是MAXIM公司的一种RS-485芯片，通过MAX485芯片实现了将TTL电平与RS-485电平之间的转换^[1,2,4]。考虑到系统的扩展功能，方便与其他串口设备通信，同时也设计了RS232接口电路。

2 液位控制器的程序设计

程序采用模块化设计，主要由主程序、初始化子程序、串口中断服务程序、LED数码管显示程序、键盘程序等组成。

主钢水信息显示牌控制器主程序框图如图4所示，在程序开始进行了初始化设置，初始化设置包括串口初始化设置、看门狗电路初始化等内容。完成初始化设置后，立即“喂狗”，以便程序“飞跑”时能实现系统自复位，提高系统可靠性。在喂狗后，判断是否有按钮按下，如果有按钮按下，执行键盘子程序。值得注意的是在键盘子程序内需要“喂狗”，否则可能出现在执行键盘程序时，由于超时看门狗电路复位单片机。执行完键盘子程序后，判断接收的拉速数据是否已发生变化，如果发生变化，更新显示，否则直接判断长度是否变化。后面的浇铸长度、大包温度、中包温度、大包重量等数据更新亦是如此。直到完成1次循环，程序再返回到喂狗程序，如此无限循环。

图4.钢水信息显示牌控制器主程序框图

3 实验与结果

设计了浇铸信息显示牌控制器，对显示效果、通信和抗干扰能力等方面的进行了测试。实践表明LED数码管显示稳定，不闪烁，色彩鲜艳，引人注目，50米外能清晰看见数据信息，显示效果良好。在通信距离100米，波特率9600，通信电缆与变频器动力电缆大于0.1米时，通信良好，无数据丢失的现象发生，LED数码管显示良好，说明控制器具有良好的抗干扰能力和稳定性。

在实际应用中，本控制器稳定性好、抗干扰能力强、成本低等优点，具有一定的推广意义和广泛的市场前景。

参 考 文 献

[1] 吴兴中,屈泽明.一种基于单片机的液位控制器设计[J].微型机与应用,2016,35(16):98-100

[2] 吴兴中,朱松林,彭新良.利用单片机实现对云台的控制[J].四川兵工学报,2011,32(3):71-73

[3] 唐俊翟,许雷,张群瞻.单片机原理与应用[M], 冶金工业出版社,2003

[4] 吴兴中,欧青立.一种PC与单片机多机 RS232串口通信设计[J].国外电子测量技术,2009,28(1):74-76