球墨铸铁件水冷温控系统的设计与研究
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作者: 吴海波
摘要：球墨铸铁作为一种廉价的结构材料，因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能和铸造性能，已广泛用于汽车、农业机械、机床、冶金机械等多个领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。温度变化对球墨铸铁的塑性、韧性、耐磨性等方面影响较大。高温条件下，球墨铸铁的塑性将增强，韧性和耐磨性将降低。低温时，球墨铸铁三个指标均会下降，影响其工作性能。所以研究用于控制球墨铸铁件摩擦产生的温度防止球墨铸铁件因温度过高而老化的温控系统十分必要。
关键词：球墨铸铁；温度控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）10-2439-04
Abstract： Ductile cast iron as a cheap material， because of its good wear resistance， shock absorption， and low notch sensitivity and excellent machining performance and casting performance， has been widely used in many fields of automobile， agricultural machinery， machine tools， metallurgy and machinery， which has important application value and broad application prospect. At the same time，the temperature change of ductile iron with plastic， toughness， wear resistance， impact. Under the condition of high temperature， plastic ductile cast iron will be enhanced， toughness and wear resistance will decrease. When the temperature is low， ductile iron three indexes will fall， affecting their work performance. So the research for the control of nodular cast iron friction temperature to prevent nodular cast iron and the aging temperature due to high temperature control system is very necessary.
Key words： Ductile iron； temperature control
1 总体设计分析
球墨铸铁件水冷温控系统由球墨铸铁件温度调节模块，主控制电路，信号采集模块，A/D转换模块，无线传输模块，显示模块，继电器控制模块，报警模块，自检模块组成。当一个单片机系统有检测到温度信号时通过无线传输模块到另一个单片机系统中检测该温度信号是否超过设定的温度信号，如果超过设定值报警模块报警，继电器控制模块动作控制水阀的关断。使用自检功能，首先假设装置发生故障时，上位机控制台有异常显示，同时下位机面板上的异常指示灯会亮，当一旦发现异常可及时更换装置。如无法及时更换，下位机应该仍可实现手动控制出水。
2 设计方案
1）主控制电路：使用STC89C52单片机构建上下位机的主控制电路。
下位机需要完成温度传感信号采集与处理，电动阀驱动水冷喷淋功能，可以使用STC89C52单片机完成以上功能控制需求。此单片机是一款功耗很低、性价比高的8位微处理器，拥有容量为8K的可编程Flash 存储器，能满足本设计的逻辑控制需求。
2）温度采集检测电路：使用铂热电阻PT100温度传感器构建温度采集检测电路。
球墨铸铁热衰退区间一般在200℃～350℃，选用PT100可以满足温度检测要求。铂热电阻PT100温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大和稳定性好等，被广泛用于中温（-200℃～650℃）范围的温度测量中。
3）无线传输模块：使用CC2430芯片构建zigbee无线传输模块。
为了保证高质量的无线信号传输，选用采取zigbee技术的CC2430芯片。该芯片提供以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用。外围系统的集成费用低，集成后的功能较强。芯片集成了一个2.4GHz 直接序列扩频射频收发器核心和一个8051处理器，可以满足本设计对于无线通信功能的需求。
4）水冷模块：使用电动阀构建水冷模块。
因为水冷动作需要根据球墨铸铁件温度变化量实时调整，所以拟采用可进行动作调节的电动阀实现此模块功能。电动阀是自控阀门中的高端产品，它不仅可以实现开关作用，调节型电动阀还可以实现阀位调节功能。电动执行器的行程可分为：90°角行程和直行程两种，特殊要求还可以满足180°、270°、360°全行程。而角行程控制器完成对阀门的角度控制，实现阀门90°以内旋控制管道流体通断；直行程控制器完成对阀门的线位置控制，实现阀板上下动作控制管道流体通断。
5）显示模块：使用LCD1602构建显示模块。
上位机需要提供数据显示，拟采用LCD液晶屏完成数显功能。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。此液晶屏由多个5*7或者5*11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。本设计上下位机均带液晶数字显示功能，LCD1602可以满足所述功能。 3 系统实现
3.1 硬件实现
利用温度检测采集模块将信号传输到主控制电路中，由显示模块显示工作，同时主控制电路控制无线发送的工作。当无线接收器接收到信号时，如所接收到的信号超过设定信号时报警模块报警、继电器工作控制水阀的关断。如果要使用自检功能，首先假设电路出现故障不能正常工作，然后把这个信息传给主控制电路，主控制电路把检测到的故障信息在上位机上显示出来进行报警便于及时更换，如无法及时更换，下位机应该仍可实现手动控制出水。
3.2 软件实现
程序主要由主程序和子程序两部分构成。主程序主要是无线发送和无线接收程序，子程序主要包括PT100温度信号采集程序，AD转换程序，LCD显示程序，报警处理程序已经键盘扫描程序。
1）下位机主程序流程图
2）上位机主程序流程图
3.3 实物展示
4 综述
通过对球墨铸铁件的金属特性研究可知，球墨铸铁件温度在150℃以下，应该属于正常使用的范围，但考虑到金属受热形变老化等问题，设置球墨铸铁件温度达到90℃时进行间断式喷水进行冷却，并实时监控温度变化；球墨铸铁件温度在150℃以上，需连续喷水冷却，并实时监控温度变化；如果高于200℃，就必须采取强制措施，一般可以停机并使用手动冷却的方式进行。
实验结果表明，该水冷温控装置可以在保持球墨铸铁件金属固有特性的前提下，有效抑制因温度过高时产生的件体龟裂等不可逆老化问题的发生。
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