退火爐溫度控制系統(tǒng)資料

1、課程設(shè)計設(shè)計題B: 退火爐溫度控制系統(tǒng)學(xué) 院: 專 業(yè): 班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)老師: 日期:退火爐是金屬熱處理中的重要設(shè)備，它把壓力容器加熱到一定溫 度并維持一段時間，然后讓其自然冷卻。其目的在于消除壓力容器的 整體壓力。提高壓力容器的使用壽命。溫度是退火爐的主要被控變量， 是保證其產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素。退火爐溫度控制的穩(wěn)定性和控制 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以AT89C51單片機為控制核心，采用模塊化的設(shè)計方案，包 括硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計包括溫度檢測模塊，按鍵模 塊，執(zhí)行模塊，LED顯示模塊，單片機最小系統(tǒng)。本設(shè)計要求采用電 熱絲加熱，通過A/D轉(zhuǎn)換將采集到的

2、溫度數(shù)據(jù)輸入單片機中， 與系統(tǒng) 給定值比較，從而對退火爐的溫度進行控制，通過按鍵輸入控制信號， 三位LED顯示爐溫。最后設(shè)計出最少拍無紋波控制器，通過MATLAB仿真檢驗是否有紋波。第1章1.11.2第2章2.12.2第3章3.13.23.33.43.5第4章4.14.2第5章第6章緒論 3設(shè)計背景3設(shè)計算法3課程設(shè)計的方案 5概述5系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)5硬件設(shè)計單片機最小系統(tǒng)設(shè)計73.1.1單片機選擇73.1.2時鐘電路設(shè)計83.1.3復(fù)位電路設(shè)計9溫度檢測部分10按鍵控制電路12LED顯示模塊 -13 -溫度控制電路 -14 -軟件算法程序框圖算法設(shè)計系統(tǒng)仿真-16 -16 -17 -20課程

3、設(shè)計總結(jié)-21 -第1章緒論1.1設(shè)計背景退火爐是冶金和機械行業(yè)常用的熱處理工業(yè)設(shè)備。 一般說來，退貨處理工藝 師冶金和機械產(chǎn)品的最后處理工序，它的處理效果將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此, 對退火爐的基本要求就是根據(jù)退火處理工藝曲線， 提供準確的升溫，保溫及降溫 操作，同時保證顱內(nèi)各處的溫度均勻。在目前實際生產(chǎn)中，退火爐的種類很多， 按燃料分有燃油爐、燃氣爐、電爐等。電爐按臺數(shù)計算占 80%燃油爐和燃氣爐 占20%退火是金屬熱處理中的重要工序，它是將金屬緩慢加熱到一定溫度， 保持足 夠時間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）的一種金屬 熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切

4、削加工的材料或工件軟化，改 善其塑性和韌性，使其化學(xué)成分均勻化，并去除其參與應(yīng)力，或得到預(yù)期的物理 性能。溫度控制是熱處理質(zhì)量控制的重要技術(shù)措施， 是退火控制的核心。智能溫 控將大大提高熱處理質(zhì)量，消除認為的不穩(wěn)定因素，提高溫度控制的精確程度， 滿足特殊材料的熱處理要求。同時，退火爐采用自動化技術(shù)控制溫度，對保護生態(tài)環(huán)境方面也具有重要意 義。退火爐的爐溫動態(tài)特性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量， 生產(chǎn)過程中對鋼材的溫升曲線 有較高的要求，溫度過低，達不到退火的預(yù)期目的；溫度過高將導(dǎo)致過熱，甚至 過燒。通過對退火爐中生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和自動工藝管理控制，不但可以縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，還可以減少人為因素

5、造成的廢品率。 熱處理后產(chǎn)生 的廢氣對自然環(huán)境的污染很大，退火爐的燃料如果是欠氧燃燒，燃料燃燒不充分， 則會產(chǎn)生大量黑煙，而過氧燃燒又會產(chǎn)生氮氧化合物等有害氣體。若通過對燃燒 過程進行有效控制，使燃燒在合理的空燃比下運行，則可以極大的減少退火爐對 周邊環(huán)境的污染，對構(gòu)建科持續(xù)發(fā)展型社會就有積極的意義。目前世界各國對能源消耗和大氣環(huán)境的污染越來越重視， 而我國既是鋼鐵大 國又是能源大國，因此研究高性能退火爐溫度控制系統(tǒng)具有極為重要的現(xiàn)實意 義。1.2設(shè)計算法在數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化， 最少 拍控制是滿足這一要求的一種離散化設(shè)計方法。最少拍控制是一種直接數(shù)字設(shè)計

6、方法。所謂最少拍，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于 某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)， 是系統(tǒng)輸出值盡快地跟 蹤期望值的變化。閉環(huán)Z傳函具有形式G(z)=丄z在這里，N是可能情況下的最小整數(shù)。這一傳函形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響 應(yīng)在N個采樣周期后變?yōu)榱?，從而意味著系統(tǒng)在 N拍之內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。第2章課程設(shè)計的方案2.1概述本文提出了一種基于最少拍的退火爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)對退火爐的溫度控制。退火爐采用電熱絲加熱，通過巡回檢測退火爐內(nèi)溫度，根據(jù)測量到 的溫度采樣值與系統(tǒng)給定值進行比較來決定是否啟動電熱絲加熱，用單片機作為控制器，設(shè)計出最少拍無紋波控制器，4個鍵盤進行溫度控制值的選擇，三位L

7、ED 顯示爐溫。2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)退火爐計算機控制系統(tǒng)框圖如圖2.1所示圖2.1利用單片機設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖退火爐使用電熱絲加熱，溫度范圍為 01000攝氏度，爐內(nèi)溫度值經(jīng)熱電偶 檢測后，經(jīng)變送器變成05V范圍內(nèi)的電壓信號送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字 量。數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波后送入 CPU作為本次采樣值。把測量到的溫度值與設(shè)定 值進行比較來決定是否啟動電熱絲加熱。本次設(shè)計的退火爐計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)包括5大部分，即核心控件（89C51主控模塊），復(fù)位電路，溫度檢測，按鍵，LED顯示電路。主控模塊，具有控制 功能，主要由AT89C51單片機組成，是退火爐溫度控制系統(tǒng)的核心。溫度系統(tǒng) 是受控模塊，由D/

8、A轉(zhuǎn)換器和電熱絲組成。主控模塊上設(shè)有4個按鍵和3個LED 顯示器，可以通過按鍵控制溫度并通過 LED數(shù)碼管顯示。復(fù)位開關(guān)連接控制器 的RST端，實現(xiàn)復(fù)位控制。第3章硬件設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計3.1.1單片機選擇本次設(shè)計選擇AT89C51。(1) AT89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)：AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的八位 CMOS單片機，片內(nèi)有一 個4KB的FLASH可變成可擦除只讀存儲器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)，它采用了 CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非 易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和

9、指令系統(tǒng)都與 MSC-51兼容。片內(nèi)置通用 8位中央處理器(CPU)和FLASH存儲單元，片內(nèi)的存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改變 程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程。因此， AT89C51是一種功能強、靈活性 高且價格合理的單片機，可方便的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。(2)管腳說明：VCC(40)：供電電壓，其工作電壓為 5V。GND(20):接地。P0端口( P0.0-P0.7):P0 口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程 序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)、地址的第八位。再 LFASH編程時，P0 口 作為原碼輸入口，

10、當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉 高。P1端口( P1.0-P1.7): P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P1 口 緩沖器能夠接收4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高電平，可 用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣 故。再FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2端口( P2.0-P2.7): P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P2 口 緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上 拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管

11、腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外 部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ T時，它利 用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信 號。P3端口( P3.0-P3.7) : P3 口管腳是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位的雙向I/O 端口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為 高電平，并用作輸入。作為輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流(ILL )。P3 口也可作為

12、AT89C51的一些特殊功能口，P3 口同時為閃爍編程和 編程校驗接收一些控制信號。復(fù)位RST(9):復(fù)位輸入。在振蕩器運行時，有兩個機器周期(24個振蕩周 期)以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機復(fù)位，只要這個腳保持高電平， 51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后 P3.0-P3.7 口均置1，引腳表現(xiàn)為咼電平，程序計數(shù) 器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。當復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為 ROM的00H處開始運行程序。復(fù)位操作不會對內(nèi)部 RAM有所影響。ALE/PR0G (30):當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存 地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在

13、平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲 器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。 此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳 被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN :外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間， 每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP(31):當ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲

14、器 (0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，ea將內(nèi)部鎖定為RESET;當EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程 期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。XTAL1(19):反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。VCCP0.0F 口 140383029 至25 亙Z3F0.4P0 JP0 6P0.7 EAjTO F3,3JT1 P3.6/WRP3.7/RDPS.lJTxD3.1.2時鐘電路設(shè)計單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，復(fù)位操作 則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。時鐘電路

15、 89C51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩 方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成 了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后， 就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖3-1所示。圖3-1中，電容器Cl，C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一 般在5-30pF。晶振頻率的典型值為12MHz，采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部 振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖3.2時鐘電路3.1.3復(fù)位電路設(shè)計當89C51單片機的復(fù)位引腳RST（全稱RESET）

16、出現(xiàn)2個機器周期以上的高 電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán) 復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電 或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路電容 C1和電阻R1對電源+5V來說構(gòu)成微分電路。上 電后，保持RST 一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中 電阻R1,也能達到上電復(fù)位的操作功能，如圖 3.3所示。Binr圖3.3復(fù)位電路電路開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用 開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路。上電后，由于電容C3的充電和反

17、相門的作用，使 RESET持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RESET為一段時間的高電平，從而實現(xiàn) 上電或開關(guān)復(fù)位的操作。3.2溫度檢測部分(1)溫度傳感器：因為退火爐的溫度測量范圍為01000C,傳感器選擇K型熱電偶。其測溫范圍廣，使用溫度為 200C1300C，它具有線性度好，熱 電式大，靈敏度高、性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，抗氧化性，動態(tài)性好，價格便宜等 優(yōu)點，所以，適合于本系統(tǒng)。提供模擬量給A/D轉(zhuǎn)換器。+12圖3.5熱電偶電路圖(2) A/D轉(zhuǎn)換器：由于A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809，為多通道AD轉(zhuǎn)換器。其 工作為查詢方式。將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC作為狀態(tài)信

18、號，經(jīng)三態(tài)門接入數(shù)據(jù)總線 最高位D7。啟動轉(zhuǎn)換后，不斷檢測D7位是否為1,就可以知道轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。 狀態(tài)斷口的地址假設(shè)為 238H。利用ADC0809芯片中的多路開關(guān)，我們可以實 現(xiàn)8個模擬信號的分時轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)地址總線的低3位分別連接ADC0809的地址線C、B、A，在啟動A/D轉(zhuǎn)換的同時，選定要進行轉(zhuǎn)換的模擬通道，對應(yīng)8個模擬通道的I/O地址分別為220-227H。+5IN-0m sb2-12-2IN-12-32-4IN-22-52-6IN-32-7lsb2-8IN-4EOCIN-5ADD-AIN-6ADD-BADD-CIN-7ALEref(-)ENABLESTARTref(+)CLOCK

19、斗IC827127345221612ADC0809圖3.6 A/D轉(zhuǎn)換器引腳圖V0 26V1 282524239610212019188151417卜A/D轉(zhuǎn)換器輸出的為BCD碼，2-12-8 口不是總線式的。因此，單片機只能通過并行I/O接口或擴展I/O 口與其相接。還可以通過單片機的P1 口直接與其連接。如圖3.7所示.IC8VO 26IN-027IN-1V1 28IN-2IN-3IN-4EOCIN-5ADD-AIN-6ADD-BADD-CIN-7ALE+5TR921120$219i卜31848515i ,614i717488*2kmsb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-

20、87132524221612ref(-)ENABLESTARTR1+5Kef(+)CLOCK10ADC08090.1UFFTC1C1Y1I6MhzP1.0P0.0P1.1P0.1P1.2P0.2P1.3P0.3P1.4P0.4P1 5P0 5P1 6P0 6P1 7P0 7TNT1/P3.3P2.0TNT0/P3.2P2.1P2 2T1/P3 5P2 3T0/P3 4P2 4P2.5EA/VPP2 6P2.7X1X2RESETRXD/P3 0TXD/P3 . 1RD/P3.7ALE/PWR/P3.6PSENIC112311918917161151439383736343332212324252

21、628101130IC9 89C51CLK1CLK0* 31411MR2Q3Q2MR112Q1Q0MS2MS174LS90圖3.7 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機連接圖3.3按鍵控制電路本次設(shè)計的按鍵部分包含四個按鍵，直接與單片機相連。so按鍵直接接在復(fù)位電路上，按下S0開始控制溫度數(shù)字的輸入，S1表示是否顯示數(shù)字，按下 S2使溫度升高，按下S3使溫度降低。P2.0P2.1P2.2P2.3SISVT-PBS2SW-PB IS4|SAAT-PBS3ISW-PB圖3.8按鍵電路圖3.4 LED顯示模塊顯示模塊主要包括三個 LED顯示燈，第一位顯示百位，與單片機 P1.0相 連，第二位顯示十位，與單片機 P1

22、.1相連，第三位顯示各位，與單片機 P1.2相 連。LED顯示電路如圖3.7所示。8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共 陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平， 某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應(yīng)的字段就被點亮。共陰極LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當公共端接低電平，某一段的發(fā)光 二極管陽極接高電平時，相應(yīng)的字段就被點亮。3.5溫度控制電路執(zhí)行部分為和固態(tài)繼電器控溫電路，由 D/A轉(zhuǎn)換器和電熱絲組成。D/A轉(zhuǎn)換 器將單片機輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，控制電熱絲是否工作。DAC0832是 8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯

23、片。與微處理器完全兼容。這個 DA 芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到 廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電 路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要特性有：1.分辨率為8位；2.電流穩(wěn)定時間1us； 3.可單緩沖、雙緩沖 或直接數(shù)字輸入；4.只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 5.單一電源供電（+5V +15V； 6.低功耗，20mW/-12VCC|sbDX DI1 D12 DD DMDI5 D16 msburzlout! lontJRibLE WR2 WR1CS Xfei!1A$616TleUl*DACO832圖3.10 D/A轉(zhuǎn)換電

24、路圖I L代壓型輸出U2ALAB 24固態(tài)繼電器控溫電路如圖3.9所示，采用Z型交流固態(tài)繼電器SSR,實現(xiàn)零觸 發(fā)交流調(diào)功。SSR內(nèi)設(shè)光電隔離電路，可減少與電網(wǎng)間的相互干擾，這是一種較 先進的控制方法。+ 12圖3.11固態(tài)繼電器控溫電路TitleSizeNumberRev isioBDate:1 9-J un-2006Sheet ofFile:D:PREVIO11. DDBDrawn By :56第4章軟件算法4.1程序框圖退火爐溫度控制系統(tǒng)框圖如下:圖4.1主程序框圖控制系統(tǒng)包括溫度采集和處理控制火爐內(nèi)溫度，通過采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)給定值比較來決定是否給退火爐控溫。再通過最少拍無紋波控制器輸

25、出控制 量來控制輸出，得出溫度并顯示。4.2算法設(shè)計最少拍原理：在采樣控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱作一拍。在典型輸 入信號作用下，經(jīng)過最少拍，使輸出量采樣時刻的數(shù)值能完全跟蹤參考輸入量的 數(shù)值，跟蹤誤差為零的系統(tǒng)稱為最少拍系。系統(tǒng)控制原理框圖如下：圖4.2系統(tǒng)控制原理圖“溫度”的表現(xiàn)，可以用純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述，即Gc(s) s)* D(s)=*1(4-1)式中：Gc( s)煤氣退火爐的傳遞函數(shù);D(s)比例環(huán)節(jié)取1；K比例系數(shù)；二純滯后時間；.1 時間常數(shù)。設(shè)傳遞函數(shù)為Gc s -10s 0.1s 1(4-2)采樣周期T=0.1s，零階保持器為H(s)二.Ts-e_(4-3)系統(tǒng)廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)為：Gz 胡10= 9z：(1 0.11)s s(0.1s+1)(1z )(1-0.3679z )滿足無紋