開題報告：離子氮化溫度控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)設(shè)計/論文開 題 報 告 課 題 名 稱 離子氮化溫度控制系統(tǒng) 上位機程序設(shè)計與調(diào)試 院 別 機電與自動化學(xué)院 專 業(yè) 班 自動化0803 姓 名 評 分 指 導(dǎo) 教 師 李川香 華中科技大學(xué)武昌分校 畢業(yè)設(shè)計開題報告撰寫要求1. 開題報告主要內(nèi)容1）課題設(shè)計的目的和意義；2）課題設(shè)計的主要內(nèi)容；3）設(shè)計方案；4）實施計劃。 5）主要參考文獻：不少于5篇，其中外文文獻不少于1篇。2撰寫開題報告時，所選課題的課題名稱也不得多于25個漢字，課題設(shè)計份量要適當(dāng)， 設(shè)計中必須是自己的設(shè)計內(nèi)容。3. 開題報告的字數(shù)不少于2000字（藝術(shù)類專業(yè)不少于1000字），格式按華中科技大學(xué)武昌分校本科畢業(yè)設(shè)計

2、/論文撰寫規(guī)范的要求撰寫。4. 指導(dǎo)教師和責(zé)任單位必須審查簽字。5開題報告單獨裝訂，本附件為封面，后續(xù)表格請從網(wǎng)上下載并用a4紙打印后填寫。6. 此開題報告適用于全校各專業(yè)，部分特殊專業(yè)需要變更的，由所在系在基礎(chǔ)上提出調(diào)整方案，報學(xué)校審批后執(zhí)行。華中科技大學(xué)武昌分校學(xué)生畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名周 敏學(xué) 號 20081184105專業(yè)班級自動化0803院別機電與自動化學(xué)院指導(dǎo)教師李川香職稱教授課題名稱離子氮化溫度控制系統(tǒng)上位機程序設(shè)計與調(diào)試1 課題設(shè)計的目的和意義1.1 課題的設(shè)計目的通過完成離子氮化溫度控制系統(tǒng)上位機程序設(shè)計與調(diào)試，使我們能夠較為熟練地應(yīng)用單片機進行系統(tǒng)級設(shè)計，提高自身的

3、分析和設(shè)計單片機系統(tǒng)的能力；掌握pt100傳感器的使用方式，信號的調(diào)理方法；掌握pid和模糊控制相結(jié)合的控制方法設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的步驟；掌握采用vc作為串口編程工具，用vc6.0+來實現(xiàn)編程，完成上位機與單片機進行通信的程序編寫等等，將自動化專業(yè)的相關(guān)理論知識綜合運用，融會貫通，學(xué)以致用。學(xué)會分析、解決設(shè)計及調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，為今后從事相關(guān)的研究及技術(shù)工作奠定良好的基礎(chǔ)。1.2 課題的設(shè)計意義離子氮化是一種可以顯著提高鋼鐵零件表面硬度、耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕的化學(xué)熱處理工藝。它具有滲速快，滲層性能好，工藝變形小以及耗氣，耗電少等特點，是無污染，無公害的理想工藝。在國內(nèi)外得到了廣泛的重視，離

4、子氮化工藝應(yīng)用范圍在不斷擴大，如機床和工具制造、機車車輛、模具、動力設(shè)備制造、塑料機械、輕紡機械及鈦合金零件等均在不同程度上使用了該技術(shù)，離子氮化設(shè)備在我國已成為熱處理工部的常規(guī)設(shè)備。在離子氮化中，根據(jù)零件不同工藝要求也不同，有不同溫升曲線，保溫時間也不同，這就要求爐內(nèi)溫差保持為0.5oc為宜，如溫差低于0.5,則表明沒有達到所要求效果，還需要在后續(xù)的操作工藝中必須進行再氮化，這樣會降低設(shè)備的利用率,浪費能源;如果溫差大于0. 5,會使氮化層表面結(jié)疤,嚴重時會堵塞管道,損壞設(shè)備。因此,精確測量溫度是該生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。離子氮化爐中溫度是否能保持一定的范圍內(nèi)，氮化時間的長短，直接決定鋼鐵零件表

5、面硬度、耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕質(zhì)量的好壞，因此溫度是離子氮化生產(chǎn)過程中一個非常重要的指標。溫度是一種最基本的重要熱工參數(shù)，在冶金工業(yè)、化學(xué)生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工行業(yè)等領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。溫度檢測的準確性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在冶金、石油、化工電力和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等行業(yè)，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一，在普通家庭里熱水器、電飯煲、電烤箱等依賴于溫控技術(shù)的家電設(shè)備也是必不可少?？梢哉f溫度控制技術(shù)無處不在。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點，超出設(shè)定允許范圍即進行溫度調(diào)控：低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種

6、方法實現(xiàn)簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達到穩(wěn)定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。 近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：pid控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。在此課題中，我們采用pid和模糊控制相結(jié)合的控制方法，當(dāng)溫度偏差大于某一值時，采用模糊控制，以減少調(diào)節(jié)時間；當(dāng)溫度小于某一值時，采用pid控制，以減少超調(diào)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定精度要求。該系統(tǒng)具有溫度超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、靜態(tài)誤差小、測量精確、恒定溫度與設(shè)定溫度偏差小等優(yōu)點

7、，且控制方便、顯示直觀、性能穩(wěn)定、可靠性高。2 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 2.1課題設(shè)計的任務(wù)（1）查閱參考文獻，理解課題的意義，了解本課題實際意義與應(yīng)用前景，熟練掌握pid和模糊控制相結(jié)合的控制方法設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的步驟；（2）掌握采用vc作為串口編程工具，用vc6.0+來實現(xiàn)編程，完成上位機與單片機進行通信的程序編寫等等。 （3）綜合運用所學(xué)理論知識和實驗經(jīng)驗，確定比較完善的課題設(shè)計方案；（4）總結(jié)本課題設(shè)計過程中的經(jīng)驗，結(jié)合設(shè)計實踐，編寫完整的設(shè)計論文。2.2課題設(shè)計的要求（1）調(diào)試設(shè)計結(jié)果，完善、優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，確保調(diào)試結(jié)果正確；（2）嚴格按照學(xué)校規(guī)范撰寫論文，字數(shù)不低于一萬字。（3）

8、設(shè)計內(nèi)容具有一定的研究水平。3 設(shè)計方案3.1系統(tǒng)的整體方案在一個生產(chǎn)車間或一條自動生產(chǎn)線，往往要使用多個微機分別承擔(dān)對各臺設(shè)備的適時控制、數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控。各微機之間的通訊構(gòu)成一個分布式多微機監(jiān)控系統(tǒng)，在此類系統(tǒng)中，普遍采用如圖1所示的多個微機構(gòu)成的主從分布微機監(jiān)控系統(tǒng)。 圖1 多微機監(jiān)控系統(tǒng)圖1 多個微機構(gòu)成的主從分布微機監(jiān)控系統(tǒng)3.2 下位機硬件結(jié)構(gòu)及功能特點本系統(tǒng)下位機由單片機、溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示、控制執(zhí)行電路、led顯示以及pc機通訊接口等組成。硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。圖2 下位機硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖（1）傳感器選擇鉑電阻具有準確度高、性能穩(wěn)定、互換性好、耐腐蝕及使

9、用方便等一系列優(yōu)點，鉑電阻一直是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。為了達到較高的精度和較小的響應(yīng)時間, 我們選用了a 級薄膜工業(yè)鉑電阻pt100。這種鉑電阻具有體積小、精度高、響應(yīng)速度快等特點, 非常適用于高精度溫度測量場合。（2）溫度電壓轉(zhuǎn)換及小信號放大 前向模擬輸入通道的抗干擾性、低漂移及穩(wěn)定性決定于vref的穩(wěn)定性和運算放大器的性能。系統(tǒng)采用了二級1403作為基準源，1403具有較低的電壓漂移，穩(wěn)定性高。一片1403作為恒流源基準電壓，一片1403是作為a/d轉(zhuǎn)換器的vref基準電壓。由于傳感器輸出的電壓為毫伏級，若用此電壓直接進行a/d轉(zhuǎn)換，則精度不高。這里信號放大采用了

10、由op07運放構(gòu)成的二級串聯(lián)差動放大器。op07其共模抑制比達120db，增益達104db，漂移僅為0.7mv/oc，這些特性對于保證小信號的低噪音采集達到了決定性作用。（3）a/d轉(zhuǎn)換器：icl7135是雙斜積分式4位半單片ad轉(zhuǎn)換器，icl7135僅用三根i/o口線與單片機相接。icl7135的busy端接cpu的外部中斷int0，利用busy信號作為計數(shù)器的門控信號。pol為信號的極性輸出端，接cpu的p1.7，高電平表示被測信號為正極性，低電平表示被測信號為負極性。cpu的ale端口為icl7135 提供的clk信號。 在a/d轉(zhuǎn)換階段，狀態(tài)輸出引腳busy為高電平，這個高電平一直持續(xù)

11、到a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束。我們利用單片機內(nèi)部定時器對icl7135的時鐘脈沖計數(shù)。icl7135對信號積分階段10001個計數(shù)脈沖是固定的，輸入信號的a/d轉(zhuǎn)換值= busy高電平期間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值 - 10001。 在中斷服務(wù)程序中，讀出輸入信號的a/d轉(zhuǎn)換值，即可轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的溫度值。為了滿足精度的要求，采用了精密的電壓基準源mc1403為icl7135提供0.5v的基準電壓。icl7135的滿量程為基準電壓的兩倍。因此，單片機與icl7135配合使用，200個數(shù)字量/,測量精度能達到0.01。（4）人機交互：根據(jù)系統(tǒng)功能要求，人機交互采用專用的鍵盤/顯示接口芯片82c79構(gòu)成8led顯示和4*4鍵

12、盤。82c79能夠?qū)崿F(xiàn)對鍵盤的自動掃描，防抖動，并對顯示器自動刷新，這樣不僅減少硬件開支，也使軟件編程大大減化。它可以通過09數(shù)字鍵，6個功能鍵入各種預(yù)置參數(shù)，它包括：溫度、kp、ki、kd、控制周期，并通過led加以顯示，監(jiān)測適時溫度等。33編程方案選擇（1）上位機編程方案選擇本設(shè)計采用vc6.0+來實現(xiàn)編程，上位機與單片機進行通信的程序編寫可用vb、vc等軟件。由于vb作為面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ卟粔蛲耆?，效率比vc低，提供的命令語言環(huán)境較弱，通過串口設(shè)備一次最多只能交換16b的數(shù)據(jù)，對較大數(shù)據(jù)量的傳輸存在很大的局限性，很難實現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，vc6.0+是一種功能強大的面向?qū)ο蟮膚indo

13、ws編程開發(fā)平臺。vc6.0的優(yōu)點是界面簡潔，占用資源少，操作方便。所以本設(shè)計采用vc作為串口編程工具。（2）下位機編程方案選擇本設(shè)計單片機的編程選擇c語言編寫，因為它簡潔緊湊、方便靈活、運算符豐富、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、c是結(jié)構(gòu)式語言、c語法限制不太嚴格，程序設(shè)計自由度大、c語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作、c語言程序生成代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高，一般只比匯編程序生成的目標代碼效率低1020%、c語言適用范圍大，可移植性好c語言有一個突出的優(yōu)點就是適合于多種操作系統(tǒng), 如dos、unix,也適用于多種機型。c語言具有繪圖能力強，可移植性好，并具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫系統(tǒng)

14、軟件，所以我選用c語言來編寫此程序。3.2 通訊系統(tǒng)設(shè)計要實現(xiàn)單片機和pc機的正常通信，必須正確設(shè)定它們兩者之間的通信方式，保證雙方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校驗位，并且要建立雙方通信的應(yīng)答信號。通訊命令意義如表1所示。表1 通訊命令意義通訊命令意義操作碼操作數(shù)格式操作數(shù)范圍操作數(shù)對應(yīng)溫度設(shè)置cxxxx019990199.9oc設(shè)定控制周期exxxx252502.525.0s開啟pc機控制方式a-關(guān)閉pc機控制方式b-開啟單片機控制方式j(luò)-關(guān)閉單片機控制方式k-開啟pc機測量方式l-關(guān)閉pc機測量方式m-pid算法n1-比例量dxxxx0999909999微分量ixxxx09999

15、09999積分量hxxxx0999909999模糊控制算法n2-讀回當(dāng)前溫度值f-設(shè)置通電時間gxxxx025502554 實施計劃（1） 第 14 周 查閱資料，翻譯外文資料，撰寫開題報告。（2） 第 4 周 開題報告答辯。（3） 第 510 周 進行畢業(yè)設(shè)計的理論研究、方案設(shè)計、軟硬件測試等。（4） 第 11 周 對前期理論工作及軟硬件設(shè)計做初步檢查。（5） 第 1113 周 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文并完成初槁。（6） 第 1415 周 送指導(dǎo)老師檢查，批改。后修改論文并定稿。（7） 第 15 周 畢業(yè)設(shè)計答辯資格審查。（8） 第 16 周 畢業(yè)設(shè)計答辯，最終完成畢業(yè)設(shè)計。5 主要參考文獻1 王秋爽.單片機開發(fā)基礎(chǔ)與經(jīng)典設(shè)計實例.北京:機械工業(yè)出版社, 2008.2 余永權(quán).單片機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社, 2005.3 李書澤.高精度鉑電阻測溫電路優(yōu)化設(shè)計.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005,1:26-28.4 王守中.51單片機開發(fā)入門與典型實例.北京:人民郵電出版社,2007.5 邊海龍.單片機開發(fā)與典型工程項目實例詳解.北京:電子工業(yè)出版社,2008.6 李群芳.單片機微型計算機與接口技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社社,2010.7 jang g.h.position detec