煤氣退火爐控制系統設計教材

1、目錄1. 設計內容 12總體方案設計 22.1. 系統設計方案的提出 22.2. 方案比較及確定 33. 控制系統的設計 64系統硬件設計 44.1. 系統硬件電路設計 44.2 單元模塊設計 54.2.1. 電源模塊 54.2.2. 控制模塊 54.2.3. 執(zhí)行模塊 64.2.4. 溫度采集模塊 74.2.5. 顯示模塊 94.3.元器件清單 105.系統軟件設計 115.1. 軟件流程圖 117. 總結 158. 參考文獻 129. 程序 191.設計內容煤氣罩式退火爐主要用于對冷軋鋼板進行熱處理， 采用高爐煤氣作為燃料。 爐體分內 罩和外罩， 在內罩內放入退火鋼卷， 并投入保護性氣體防

2、止氧化。 燃燒在內罩和外罩之間進 行。 12個噴嘴分為上下兩層，每層 6 個環(huán)繞排列。煤氣和空氣的噴燃比由連接兩個閥門的 連桿所固定，這樣在燃燒時，其空燃比不變。 煤氣和空氣閥均為蝶閥， 由一臺電動執(zhí)行器通 過連桿共同帶動。 設計系統保護氣體溫度為輸入及控制量， 以電動執(zhí)行器帶動的蝶閥開度 (對 應于煤氣輸入量)為輸出的一個單輸入單輸出的溫度控制系統。設計系統要求溫度在升溫、保溫過程中按一定的工藝曲線升溫和保溫，在400溫度內，保護氣體溫度在供氣閥門開到最大情況下，以自由升溫的速率再最短的時間內升到 400。從 400開始到 700的保溫點，溫度按 4575 /h 的速率上升，此段為升溫段。到

3、 達 700點， 則開始進入保溫段， 以 700 為恒值溫度進行保溫。 鋼卷保溫一定時間后?；?， 進入降溫段， 而降溫過程為自由降溫， 在此段中溫控系統停用。 選擇合適的控制算法進行控 制。2總體方案設計2.1. 系統設計方案的提出本設計是基于 51 單片機的控制及顯示電路設計， 從系統的設計功能上看， 系統可分為五大 部分，即控制部分、傳感器部分、數字顯示部分、電源部分和執(zhí)行部分，對于每一個部分 都有不同的設計方案，起初我們組擬訂了下面兩種方案：1控制部分(1) AT89C52 單片機(2) 其他2 傳感器部分(1) (J 型熱電偶)鐵 - 銅鎳熱電偶(2) ( T型熱電偶)銅 - 銅鎳熱電

4、偶3. 數字顯示部分(1) 采用 LED 數碼管顯示，利用多個數碼管來顯示數字。(2)LCD 液晶屏顯示。4電源部分： （1） 購買開關電源。（2）自制電源。5. 執(zhí)行部分（1）用交流電機。（2）用直流電機，采用集成芯片 LM298與 LM297組成驅動電路。2.2. 方案比較及確定（1）本設計中我們采用 AT89C52單片機作為主控芯片， AT89C52 是 51 系列單片機的一個 型號，它是 ATMEL公司生產的。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，而 且可編程性好。（2）J 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格 便宜等優(yōu)點 ,

5、 廣為用戶所采用。其溫度范圍為 0750，符合我們的要求。雖然 T 型熱電偶 也具有這些優(yōu)點，但是其測量溫區(qū)為 -200350 ，不能滿足我們的要求。（3）若用 LED 數碼管顯示， LED 數碼管亮度高、小巧輕便，但是電路復雜，顯示信息量較 ??； LCD的優(yōu)點是：工作電流較小、功耗很低，而且可以清晰顯示大量信息，趣味性強。所 以選用 LCD液晶顯示。（4）購買的開關電源帶負載的能力比較好，比較穩(wěn)定，但是為了提升自己的動手能力，我 們選擇自己焊接所需的電路。（5）若用交流電機，轉動速度固定，一般為水平轉動速度為4 / 秒 6 / 秒，垂直轉動速度為 3/ 秒 6/ 秒。其缺點是無法大電流驅動

6、. 降低了工作效率且不容易實現。 若選用集成芯片 LM298 驅動直流步進電機，具有轉速高、可變速的優(yōu)點，十分適合需 要快速捕捉目標的場合。其水平最高轉速可達4050/ 秒，垂直可達 1024/ 秒。這種電路通過芯片產生正反向電壓 .開關速度很快 . 穩(wěn)定性極強 . 效率也非常高?；谏鲜隹?慮. 我們擬選用方案二。3. 控制系統的設計AT89C52單片機作為主控模塊，通過傳感器進行溫度的采集，采集的數據經過A/D 轉換變成計算機能夠接收的數字信號， 然后在經過 D/A 轉換將數字信號轉變成模擬信號去控制執(zhí) 行機構（直流電機）的轉動，并且電機的轉動分為三個階段：第一階段：當采集到的數據在（ 0

7、400）范圍內時，單片機就會控制直流電機轉動， 而且轉動的非?？?。電機轉動帶動閥門，從而控制閥門的開度，使溫度快速升高。第二階段：當采集到的數據在（ 400700）范圍內時，單片機就會控制直流電機轉動， 而且轉動速度減慢。電機轉動帶動閥門，從而控制閥門的開度，并且使速率控制在4575/h 之間，溫度由 400升溫到 700。第三階段：當采集的數據達到 700時，電機就停止轉動。同時系統整個過程都通過 LCD液晶屏對溫度進行實時跟蹤與顯示。4系統硬件設計4.1.系統硬件電路設計LCD1LM016LU319 XTAL10%R11R18XTAL2RV1RSTP2.0/A81k262728123452

8、52423221216U2IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADD AADD BADD CALEVREF(+)VREF(-)ADC0808CLOCK6ST7EOC21H20G19F18E8D15C14B17A9OESTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT8OEOUT4OUT5OUT6OUT710 CLK293031AB2C3D4E5FG 6G7H8P2.1/A9P2.2/A10PSEN ALE EAP1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3

9、.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDP13732211P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7393835 834 933 10RESPACK-822 223 32425CLK26 STEOC28 OE271011121314151617DAC1D0D1D2D3D4D5D6D7LEDAC_8VOUTVREF+VREF-圖2 系統硬件電路圖4.2 單元模塊設計根據系統要實現的功能，本系統分為五個模塊：電源模塊、控制模塊、執(zhí)行模

10、塊、溫度采集 模塊和顯示模塊。分別將各單元模塊功能介紹如下：4.2.1.電源模塊穩(wěn)壓電源模塊我們采用三端集成線性穩(wěn)壓集成塊：L7805CV芯片。本設計中我們所需的 5V 電源使用 L7805CV 芯片完成。因為它的外圍電路比較簡單， 并且工作比較穩(wěn)定。它的穩(wěn)壓精度為2%，工作電流 1.5A ，封裝為 TO-220（A） ，工作溫度也很不錯，并且具有過溫保護和短路保護，最大輸入電壓為35V，能對電路的長時間工作有很大的保障，故用其作為穩(wěn)壓芯片。4.2.2. 控制模塊本設計中我們采用 AT89C52單片機作為主控芯片， AT89C52 是 51 系列單片機的一個 型號，它是 ATMEL公司生產的。

11、 AT89C52 是一個低電壓，高性能CMOS8 位單片機，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數據 存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51指令系統， 片內置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲單元， 功能強大的 AT89C52 單片機可為您提供許多較復雜系統控制應用場合。AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 / 輸出（ I/O ）端口，同時內含 2 個外 中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線，

12、 AT89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程 , 但不可以在線編程 （S 系列的才支持在線編程 ） 。其將通用 的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起， 特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地 降低開發(fā)成本。其引腳圖如下所示：圖 3 引腳圖主要功能特性：兼容 MCS51指令系統 8k 可反復擦寫 （1000 次） Flash ROM32 個雙向 I/O 口256x8bit 內部 RAM3 個 16 位可編程定時 / 計數器中斷 時鐘頻率 0-24MHz2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道2 個外部中斷源 共 6 個中斷源2 個讀寫中斷口線 3 級加密位低功耗空閑和掉電模式 軟件

13、設置睡眠和喚醒功能4.2.3.執(zhí)行模塊執(zhí)行機構我們采用直流電機作為被控對象， 直流電機是電機的主要類型之一。 一臺直 流電機即可作為發(fā)電機使用， 也可作為電動機使用， 用作直流發(fā)電機可以得到直流電源， 而 作為直流電動機，由于直流電機的啟動性能好，具有良好的調速性能， 運行穩(wěn)定； 直流電動 機的調速范圍寬廣， 調速特性平滑， 而且直流電動機的過載能力較強， 熱動和制動轉矩較大。 在許多調速性能要求較高的場合， 仍得到廣泛使用。 尤其是在調速性能要求較高的大型設備 , 比如軋鋼機上都采用直流電動機拖動。在本實驗中直流電機的作用是： 根據電動機轉動的快慢來反映煤氣退火爐溫度上升的快 慢。在 0 4

14、00時，電動機快速轉動打開供氣閥門快速供氣，使火爐在最短的時間內快速 升溫到 400；從 400 700為火爐的保溫點，此時直流電機的轉速將慢慢降低；當溫度上升到 700時，閥門供氣量將會下降，使火爐進入保溫階段。這時直流電機將停止轉動4.2.4.溫度采集模塊在本次實驗中用到的 A/D 轉換器是 ADC0808，其原理圖及控制原理如下：（1）模擬量輸入； A/D 轉換器；數據輸出圖 4 ADC0808 的原理框圖（2）引腳介紹：主電源輸入端。REF （ + ）、 REF （ - ）：基準電源輸入端， 使用中 REF （ - ）一般接地， REF （ + ） 最大可接 ，要求不高時， REF （

15、 + ）接 的 電源。GND ：模擬地數字地共用的接地端。CLK ：時鐘輸入引腳，時鐘頻率范圍 ，典型值 ，此時轉 換時間約為 。： 8 路模擬量單極性電壓的輸入引腳。ADDA 、 ADD B 、 ADD C ： 8 選 1 模擬開關的三位通道地址輸入端。用來選擇對應的輸 入通道，其對應關系如圖 9-4 所示。比如 CBA=011 ，則選中 引腳的輸入電壓。 C 、B 、 A 通常與系統數據總線的 、 、 連接。但也有與系統地址總線相連的，此 種用法需小心處理端口地址的組織。C 、 B 、 A 的通ALE ：為通道地址鎖存允許選通控制端，輸入上跳沿有效；它有效時， 道地址值才能進入通道地址鎖存

16、器， ALE 下跳為低電平（無效）時，鎖存器鎖存進入的通 道地址。START ：啟動 A/D 轉換控制引腳，由高電平下跳為低電平時有效；即對該引腳輸入正脈沖 下跳沿后， ADC 開始逐次比較； 也可將 START 與 ALE 連接在一起使用， 安排一個 CPU 寫 端口地址；正脈沖上升沿通道地址（碼）被寫入通道地址鎖存器，下降沿啟動 A/D 轉換。 EOC ： ADC 轉換狀態(tài)輸出信號引腳；未啟動轉換時， EOC 為高電平，啟動轉換后，正在逐 次逼近比較期間 EOC 為低電平，低電平持續(xù)時間為 A/D 轉換時間，約 （與時鐘頻 率有關）， 一旦轉換完畢， EOC 端上跳為高電平，此信號可供 C

17、PU 查詢或向 CPU 發(fā)中斷。： 8 位數字量輸出引腳， 為 （ MSB ），為 （ LSB ），它是三態(tài)輸出數據鎖存器的輸出引腳，未被選通時， 8 個引腳對片內均為高阻斷開；因此可與系 統數據總線 直接相連。OE ：數字量輸出允許控制端，輸入正脈沖有效；它有效時，數據輸出三態(tài)門被打開，轉換 好的數字量各位被送到 引腳上；它無效時， 浮空（高阻隔離）；顯然OE 端必須設置一個 CPU 讀數據的端口地址，未訪問時，必須為低電平。（3）公式單極性圖 5 ADC0808/9 芯片的引腳圖雙極性 可見此系列 ADC 本身是單極性轉換器，也可以通過外偏置電路方法，變成雙極性輸入電壓 的 A/D 轉換器

18、。4.2.5.顯示模塊本系統我們采用 LCD液晶顯示屏進行顯示。 LCD為英文 Liquid Crystal Display 的縮 寫，即液晶顯示器， 是一種數字顯示技術，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源， 在平面面 板上產生圖象。 LCD占用空間小，低功耗，低輻射，無閃爍，降低視覺疲勞。在系統中，LCD主要進行溫度的顯 示。本設計中我們選用 LCD1602 進行顯示，下面是 1602 的管腳 功能說明。1602 字符型 LCD 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線的 LCD ，多出來的 2 條線 是背光電源線VCC（15 腳 ）和地線 GND（16 腳），其控制原理與 14 腳的 LCD

19、 完全一樣，引腳功 能如下：表 1 引腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（ +5V ）3V0液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度 最高（對比度過高時會產生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器 調整對比度）。4RSRS 為寄存器選擇，高電平 1 時選擇數據寄存器、低電平 0 時選擇指令 寄存器。5R/WR/W 為讀寫信號線，高電平 （1） 時進行讀操作，低電平 （0） 時進行寫操作。6EE（或 EN） 端為使能 （enable） 端，下降沿使能。7DB0底 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 0 位（最低位）8DB1底 4 位三態(tài)、 雙向數據總線

20、 1 位9DB2底 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 2 位10DB3底 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 3 位11DB4高 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 4 位12DB5高 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 5 位13DB6高 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 6 位14DB7高 4 位三態(tài)、 雙向數據總線 7 位（最高位）（也是 busy flag ）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負極4.3. 元器件清單表2 器件清單器件名稱個數單片機1A/D 轉換器1D/A 轉換器1LCD16021滑動變阻器1運算放大器1電流源5直流電動機1溫度傳感器15.系統軟件設計5.1.軟件流程圖圖為 軟件流程圖7.總結不能

21、通過本次的課程設計， 我受益匪淺。 不用說在其中學到的新知識是多么有價值， 也不用說它 拓寬了多少我的眼界， 只是說它讓我的能力得到的提高就已足以成為我努力付出的回報。 課 程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗， 而且也是對自己能力的一種提高。 雖然作的還不 是很完善， 但還是讓我收獲了很多的東西，在遇見問題的時候，應從總的方面找原因，一味的注意小環(huán)節(jié)， 小環(huán)節(jié)再對大的方向不對也是沒有意義的。 同時了解了很多的硬件知識。 很多涉及到實際問題時， 感到了自己的知識的不足， 完全不能滿足需要。 對于硬件的使用很 多都時在同學的知道下才完成的。讓我對學習的方向和方法有了新的認識。.參考文獻1】于海生

22、 計算機控制技術 北京: 機械工業(yè)出版社 2007.52】周澤魁 .控制儀表與計算機控制裝置 . 北京:化學工業(yè)出版社 ,2002.93】徐科軍 .傳感器與檢測技術 . 北京: 電子工業(yè)出版社 ,2004.94】謝建英 . 微型計算機控制系統 . 北京：清華大學出版社， 2004.9 程序：9.1 #include voidLcd_WriteData(unsignedcharTempData);BuysC);voidLcd_WriteCmd(unsignedcharTempData,unsignedcharvoid Lcd_ReadStatus(void);void Lcd_Init(void

23、); /LCM 初始化 unsigned char Lcd_ReadData(void);void DisplayString(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData);void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData); void Delay(unsignedint delaytime);sbitLcd_RS=P20;sbitLcd_RW = P21;sbitLcd_E = P22;unsigned int dianya11=

24、0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500;/0-5V#define Lcd_Data P0#defineDA_Data P3/sbit ST=P25;sbit EOC=P26;sbit OE=P27;sbit CLK=P24;#define ADC_OUT P1/unsigned char b;unsigned int temp;unsigned char table3;/=DAC轉換輸出控制電熱絲加熱功率 = void DAConvert(unsigned longint Voltage)Voltage=255*Voltage/500;DA_Data=

25、Voltage;/unsigned int ADC0808();/void main(void)Lcd_Init(); / lcd 初始化while(1) temp=ADC0808();/temp=100; table2=temp%10;table1=(temp/10)%10; table0=(temp/100)%10;DisplayString(0,1, T:);DisplayOneChar(10,1,table0+0x30);DisplayOneChar(11,1,table1+0x30);/LCD 顯示測量值DisplayOneChar(12,1,table2+0x30); Displa

26、yOneChar(13,1,C);if(temp400&temp=700) DAConvert(dianya5);else DAConvert(dianya0);unsigned int ADC0808()unsigned int adc; unsigned long int getdata;ST=0; OE=0; ST=1; ST=0;while(1)CLK=CLK ;if(EOC=1) break; /AD 時鐘脈沖OE=1;getdata=ADC_OUT;OE=0;adc=getdata*704/255;/ adc=adc;return(adc);void Lcd_WriteData(u

27、nsigned char TempData) Lcd_ReadStatus();Lcd_Data = TempData;Lcd_RS = 1;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0; / 寫指令char TempData,unsigned charBuysC)void Lcd_WriteCmd(unsigned if (BuysC) Lcd_ReadStatus(); Lcd_Data = TempData; Lcd_RS = 0;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;/ 讀數據unsigned char Lcd_ReadData(void)Lcd_RS = 1;Lcd_RW = 1;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;return(Lcd_Data);void Lcd_ReadStatus(void)Del