氫粉碎處理工藝計算機控制系統(tǒng)

1、XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題 目：學(xué)生姓名：學(xué) 號：專 業(yè)：自動化班 級：指導(dǎo)教師：釹鐵硼氫破碎（HD）工藝是目前應(yīng)用最廣的方法。釹鐵硼氫破碎（HD）工藝是上世紀(jì)末發(fā)展起來并一項新技術(shù)。關(guān)鍵詞：The computer control system of NdTeB hydrogen smashing processing craftThe neodymium iron boron material is the new generation permanent-magnet material that has already industrial production magn

2、etism performance highest, the application to be broadest, to develop the quickest. The markets demand is also getting bigger and bigger to the high performance neodymium iron boron material. The magnetic materials preparation method types are many, but the neodymium iron boron hydrogen stave (HD) t

3、he craft applies the broadest method at present. The neodymium iron boron hydrogen stave (HD) the craft is new technology, which had developed and could replace traditional machinery thick stave method in the end of last century. The HD craft uses the NdTeB bulk alloy the intercrystalline cracking w

4、hich and the transgranulation break produces in the absorption hydrogens reaction process causes the alloy pulverization the characteristic, obtains certain grain-size powder body.This topics project objective is that in the hydrogen smashing process controlling each technological parameter through

5、the optimization, letting the neodymium iron boron ingot attract the hydrogen stage to attract the hydrogen fully, quickly, reducing the incubation period as far as possible and in the dehydrogenation stage dehydrogenation rapidly, thoroughly (in fact that impossible to escape completely). This arti

6、cle introduces with emphasis how to unify the computer technology and the single-chip microcomputer technology to control numerous independent variables and the correlated variable in hydrogen smashing process, how particularly to realize the pressure control in attracting the hydrogen process and t

7、he temperature control indehydrogenation process. letting the neodymium iron boron ingot or casts the piece to attract the hydrogen and the dehydrogenation are fuller, causing hydrogen smashing craft processing the neodymium iron boron product performance to be better.Key words： Neodymium iron boron

8、 hydrogen stave craft； single-chip microcomputer control；Automatic control；Temperature examination； Pressure examination 目錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1釹鐵硼氫破碎系統(tǒng)的設(shè)計背景1 研究領(lǐng)域和意義1 系統(tǒng)設(shè)計目的21.2 釹鐵硼氫破碎（HD）工藝2 氫粉碎（HD）工藝展望2 原理簡介4 工藝過程6 反應(yīng)曲線101.3 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)要求11 設(shè)計目標(biāo)11 技術(shù)要求121.4 技術(shù)綜述12本章小節(jié)13第二章 系統(tǒng)設(shè)計142.1 控制原理與數(shù)學(xué)模型142.

9、2 總體方案設(shè)計152.3 系統(tǒng)組成162.4采樣信號和控制量分析18本章小結(jié)19第三章 硬件設(shè)計203.1 中央處理單元設(shè)計20 CPU選型20 資源規(guī)劃213.2 系統(tǒng)擴展21 程序存儲器擴展21 數(shù)據(jù)存儲器擴展22 I/O擴展23 3.3 鍵盤及顯示電路設(shè)計24 3.4 信號采樣電路設(shè)計26 信號采樣電路設(shè)計26 傳感器選型283.5 時鐘電路303.6復(fù)位及看門狗電路313.6.1設(shè)計原理313.6.2看門狗芯片MAX708工作原理323.6.3硬件電路設(shè)計343.7 執(zhí)行器控制電路35 加熱和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計35 增壓和減壓系統(tǒng)的設(shè)計363.7.3 交流主電路373.8 輔助電路設(shè)計3

10、83.8.1 供電電源383.8.2 報警電路383.9 系統(tǒng)穩(wěn)定性40本章小結(jié)40第四章 軟件設(shè)計414.1 鍵盤監(jiān)控程序414.2 A/D轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計46本章小結(jié)47結(jié)束語48參考文獻49致謝50總之，磁性材料能覆蓋大量的電子、電氣產(chǎn)品，是材料行業(yè)的基礎(chǔ)、骨干工業(yè)部門之一。隨著我國電子、電氣工業(yè)的快速崛起，我國已經(jīng)成為全球最大的磁性材料生產(chǎn)、消費國。在不久的將來，全球一半以上的磁性材料都將用于供應(yīng)中國市場。很多高技術(shù)磁性材料、元件也將主要由中國企業(yè)生產(chǎn)、采購。磁性材料也將成為我國國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 研究領(lǐng)域和意義因此開發(fā)研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適合國情的、高效、安全、經(jīng)濟的對釹鐵

11、硼進行氫粉碎處理加工系統(tǒng)，對于高性能釹鐵硼磁體的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有十分重要的意義。同時該項目充分利用我國包頭地區(qū)豐富的稀土資源，吸收國外先進工藝技術(shù)裝備的優(yōu)點、彌補其不足，開發(fā)稀土永磁材料的新工藝新裝備，對于我國西部地區(qū)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢具有重要意義。 系統(tǒng)設(shè)計目的(8)通過調(diào)整鑄錠的原始微結(jié)構(gòu)和 HD 工藝條件，可有效控制所得粉末的粒度、形狀及尺寸分布。用 HD 工藝制造的磁體，可使磁體的制造成本下降 15 %25 %。 原理簡介釹鐵硼氫破碎（HD）工藝是上世紀(jì)末才發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它的基本原理是利用稀土元素在一定的溫度和壓力之下具有的吸氫特性。釹鐵硼合金在吸氫過程中，首先是其中的富釹項

12、吸氫膨脹，使合金沿晶界斷裂，緊接著是主項吸氫，引起穿晶斷裂；由于是富釹項首先吸氫，所以氫化粉大部分是單晶顆粒。HD工藝的原理是稀土過渡族金屬元素合金可吸收大量的氫 , 產(chǎn)生體積膨脹而發(fā)生爆裂。NdTeB 的吸氫過程包括兩個階段: 第一階段是在室溫或接近室溫條件下 , 富 Nd 邊界相首先吸氫 ,H2 首先吸附在材料的活性表面上 , 然后 H2 分解成H原子。 同時 , H2 也通過材料中的裂紋擴散進入晶體內(nèi)部 , 與 Nd 發(fā)生反應(yīng): Nd + H2 NdHn ( n= 35) , 生成的NdHn 再析出 H 原子。 在裂紋尖端附近便有較多的 H 原子存在。氫在裂尖富集后可在Nd 晶體內(nèi)自發(fā)形

13、成許多氫原子數(shù)目不等的氫原子團簇 Hn 和氫分子團簇(H2) n , 促使局部的Nd晶格膨脹和畸變。 富Nd 相吸氫后的體積膨脹將產(chǎn)生剪切應(yīng)力 , 當(dāng)膨脹量達到一定程度時 , 則會導(dǎo)致Nd2Te14B 主相與富Nd 相之間的晶界斷裂。 其次是主相 Nd2Te14B 的吸氫。 Nd2Te14B 與氫在特定的溫度與氫壓下有下列可逆反應(yīng)Nd2Te14B +x2H2 Nd2Te14BHx H ,H約為 - 57. 2 kJ mol- 1。 上述可逆反應(yīng)向右進行的稱為氫化反應(yīng)或吸氫反應(yīng) , 生成焓H為負(fù) , 說明是放熱反應(yīng)。 向左反應(yīng)的稱為脫氫反應(yīng) ,H 為正 , 是吸熱反應(yīng)。 Nd2Te14B 這一稀

14、土過渡金屬間化合物吸氫時 , 氫原子進入化合物的間隙位置 , 引起晶格膨脹和畸變 , 導(dǎo)致自由能升高。由于Nd2Te14B化合物是脆性材料 , 伸長率幾乎為零 , 斷裂強度很低 , 氫化時形成氫化物的局部區(qū)域產(chǎn)生體積膨脹和內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過 Nd2Te14B 化合物的斷裂強度時 , 就會產(chǎn)生爆裂 , 引起穿晶斷裂。 NdTeB 鑄錠的氫爆能夠在室溫下進行 , 富Nd邊界相的存在起著重要作用。因為室溫下Nd2Te14B 單相根本不吸氫 , 即使在較高的壓力下也不吸氫 , 只有加熱到 433 K左右和中等氫壓下才能激發(fā) Nd2Te14B 相吸氫。吸氫時 , 晶間富Nd相起著氫的擴散通道的作用 ,

15、 富 Nd 相吸氫放出的熱量將激活氫擴散進入Nd2Te14B 基體相, 導(dǎo)致主相吸氫, 并放熱。 吸氫后生成的氫化物Nd2Te14BHx 和NdHy 中的 x , y 值與放熱量的大小取決于所在溫度與氫氣壓力, 并產(chǎn)生不同的膨脹量如Nd2Te14BH2. 7的體積膨脹率為4. 8 %左右, 而Nd9Fe5的體積膨脹率為 10. 1 %左右。 由于二者不同的膨脹率所產(chǎn)生的應(yīng)力將導(dǎo)致已吸氫的部分從未吸氫的部分剝落出來。 富Nd 相首先吸氫并從材料表面剝落下來后, 將導(dǎo)致主相和隨后顆粒中心部位的富Nd相吸氫。 由于爆裂使材料的表面積增加, 氫的擴散速度將快速增加。如果顆粒的表面積增加 n倍, 氫的擴

16、散速度將增加 n2倍。 此外, 氫爆是一個強烈的放熱過程, 溫度的升高將導(dǎo)致氫的擴散系數(shù)增加,從而加速擴散和爆裂,最后導(dǎo)致NdTeB 鑄塊或顆粒完全粉化。 若經(jīng)過多次的吸氫/脫氫循環(huán)處理可使其粉末顆粒尺寸進一步降低到10m以下。在此情況下,近年來氫粉碎工藝應(yīng)運而生。它利用合金或金屬在一定的條件下,吸氫或脫氫以可逆的原理來工作,與機械破碎有著本質(zhì)的區(qū)別,這個過程包括一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。過程是:NdTeB 鑄錠吸氫后,形成氫化物,產(chǎn)生晶格膨脹,巨大的內(nèi)應(yīng)力會使鑄錠產(chǎn)生微裂紋,材料會變得疏松乃至成為粗粉末;隨后再經(jīng)過加熱脫氫處理,大部分主相氫化物會變回主相,并釋放出氫氣。此后經(jīng)過氣流磨破碎,

17、這樣制作的粉末可以很好的滿足粉末要求的1 、2 、3 、4 條,并且在氫氣氣氛中破碎的粉末吸附有還原性的氣體,還可以有效的阻止粉末的氧化滿足要求5 的條件。 工藝過程1）壓力檢查（1）真空檢查（抽真空到5Pa,15分鐘后壓力如果小于100Pa，證明爐子不漏氣） （2）正壓檢查（充氬氣到130KPa,十分鐘后，壓力如果大于120KPa，證明爐子不漏氣，大氣壓力101KPa）2）吸氫過程開啟氫氣管道的控制閥，往粉碎器輸入已設(shè)定壓力（200 KPa（相對壓力）或300 KPa（絕對壓力）、純度為99.9%的氫氣，NdTeB合金經(jīng)過一個短時間孕育期之后，吸氫過程開始，即NdTeB合金鑄錠塊料自動爆裂碎

18、化，其過程伴隨放熱，溫度升高，溫度在100150，當(dāng)溫度高于200，應(yīng)報警，人工檢查爐況。當(dāng)粉碎器內(nèi)氫氣壓力穩(wěn)定3）氬氣置換先自然排氫到大氣中，到70 KPa，再用氬氣置換氫氣，氬氣密度大，沉在爐底，用4倍的體積置換，控制流量。大約需要40分鐘的時間。NYNYNNYY耐壓真空檢測充入氬氣（130Kpa）報警人工檢測爐況計時（10分鐘左右）壓力大于120Kpa？啟動真空泵（抽至5Pa）爐子不漏氣計時（15分鐘左右）壓力小于100pa？爐子不漏氣充入氫氣（200Kpa）測溫大于200攝氏度？報警人工檢測爐況監(jiān)視爐內(nèi)壓力200Kpa?報警人工檢測爐況計時（2-4小時）通氬氣置換（3倍以上體積）計時（

19、40分鐘左右）抽真空加熱脫氫（600攝氏度左右）計時（20小時左右）通氬氣冷卻（400Kpa左右）通氮氣冷卻計時（10小時左右）冷卻出料圖1.2 工藝流程圖4）脫氫過程置換結(jié)束后，開啟真空系統(tǒng)控制閥，啟動真空泵，開啟真空閥，抽排粉碎器內(nèi)殘余氫氣，開啟加熱器使粉碎器（爐體）加熱升溫，有爐內(nèi)加溫（國外用石摸電阻）和爐外（國內(nèi)）加溫兩種，加熱電流550800A，電壓十幾伏。粉碎器內(nèi)物料在氛圍溫度下（加熱到600左右）脫氫，當(dāng)粉碎器內(nèi)真空度達到設(shè)定值（抽真空到5Pa），關(guān)閉真空系統(tǒng)。這個過程比較長，大約需要20個小時左右。5）冷卻過程（1）通氬氣冷卻開啟輸入氬氣控制閥，氬氣經(jīng)進氣口充入粉碎器內(nèi)，當(dāng)粉碎

20、器內(nèi)氣壓升至400KPa后，關(guān)閉氬氣進氣閥，啟動增壓泵，粉碎器內(nèi)物料在氬氣保護下循環(huán)冷卻。同時開啟鼓風(fēng)機，進行粉碎器外風(fēng)冷。（2）通氮氣冷卻當(dāng)粉碎器內(nèi)溫度降至60時，再通入氮氣冷卻。（3）真空冷卻6）出料 冷卻過程大約需要10個小時以上，冷卻后出料。7）安全問題 （1）設(shè)備應(yīng)安裝在通風(fēng)的地方。配置氫報警裝置 。 （2）氫氣通過專用管道進入車間，室內(nèi)不得放置氫氣瓶。工作現(xiàn)場嚴(yán)禁明火 。（3）不允許無值守操作 。（4）設(shè)備工作時，自動進行密封性和氣密性的檢查，保證任何時候任何地方出現(xiàn)超標(biāo)的泄漏都能隨時發(fā)現(xiàn)及時解決。 （5）必須在排除空氣后才能充入氫氣，避免產(chǎn)生危險的混合氣。 （6）突發(fā)停電本機自動

21、關(guān)閉電源。 （7）氫氣放空管排放高度應(yīng)高于屋頂，排放時用氮氣稀釋。8）緊急預(yù)案 （1）在氫報警裝置發(fā)出報警之后如果發(fā)生在吸氫階段，立即終止工作循環(huán)尋找氫氣的泄漏源，在泄漏處理之后才能開始新一輪的工作循環(huán)。 （2）在發(fā)生突然停電之后 立即關(guān)閉氫氣手動閥門和控制柜空氣開關(guān)，待來電之后，按不同情況分別處理： a、停電發(fā)生在吸氫階段，雖停電不影響吸氫，但氫氣閥自動關(guān)閉了，此時關(guān)閉手動閥，待來電后從新開始工作循環(huán)。 b、停電發(fā)生在冷卻或冷卻階段之后，停電不影響冷卻。 c、停電發(fā)生在活化階段，來電后從頭活化。 反應(yīng)曲線反應(yīng)曲線如圖1.3所示。圖 1.3 反應(yīng)曲線釹鐵硼的氫粉碎（塊到粉末）是一個可逆的化學(xué)反

22、應(yīng)過程，見式1-1和式1-2所示：（1-2）（1-1）釹鐵硼合金在吸氫過程中是一個放熱反應(yīng)，氫粉碎處理500kg合金吸氫反應(yīng)時環(huán)境溫度不超過160，吸氫過程中研究人員發(fā)現(xiàn)，吸氫壓力越大吸氫速度也越快。吸氫過程大約需要24個小時合金簡言之，本課題的設(shè)計目標(biāo)就是在氫粉碎過程中，通過優(yōu)化控制各種工藝參數(shù)，讓釹鐵硼鑄塊在吸氫階段吸氫充分、快捷，盡量縮短孕育期；在脫氫階段脫氫迅速、徹底（實際上不可能完全脫凈）。采用本系統(tǒng)后，可以使釹鐵硼氫粉碎處理中，吸氫和脫氫充分且快速，達到縮短生產(chǎn)周期、之目的。 技術(shù)要求 本設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)要求如下：1、實現(xiàn)手動控制和自動控制轉(zhuǎn)換功能；2、壓力檢測與顯示；3、溫度檢測與

23、顯示；4、檢測真空度；5、實現(xiàn)吸氫過程的壓力控制；6、實現(xiàn)脫氫過程的溫度控制；工藝要求的微米數(shù)不一樣，與金屬釹含量、鏑含量有關(guān)。脫氫溫度與材料有關(guān)。對于氫粉碎工藝計算機控制系統(tǒng)而言的控制器可以采用以下方式實現(xiàn)：1、由電氣控制電路和模擬運算電路構(gòu)成，其缺點是：電路復(fù)雜、故障點多、一旦出現(xiàn)故障很難排查，精度不高、操作復(fù)雜。2、采用PLC組成控制系統(tǒng)，其特點是：精度高、響應(yīng)快、操作簡單。其缺點是成本高，另外PLC的體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)也各異，當(dāng)用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且學(xué)習(xí)特定的編程語言。3、以微處理器（單片機）為代表

24、的芯片處理系統(tǒng)，采用單片機對氫粉碎爐進行控制，外圍接口電路簡單，控制系統(tǒng)可靠，具有較強的抗干擾能力。單片機就是將計算機的幾個基本的組成部分集成到一塊芯片中了，使得一塊集成電路芯片就是一部微型計算機，具備了一般計算機的功能。為了加強單片機的控制功能，內(nèi)部還集成了定時/計數(shù)器。單片機的主要優(yōu)點：1）體積小、成本低、運用靈活、能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器。2）面向控制、能有針對性地解決各類控制任務(wù)、能獲得最佳性能價格比。3）抗干擾能力強、適應(yīng)溫度范圍廣、在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠的工作。4）功耗小、在供電不方便的時候也能正常運行。為此，我設(shè)計了采用MCS-51系列單片機中80C52芯片單片

25、機，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關(guān)等，組成功能比較完善、抗干擾性能較強的系統(tǒng)。本章介紹了氫爆碎工藝的設(shè)計背景，該課題的來源、目的、意義及研究范圍等；同時重點介紹了氫破碎工藝的原理及其性能，最后介紹了完成本系統(tǒng)可采用的技術(shù)手段以及自己選擇單片機進行控制的原因。第二章 系統(tǒng)設(shè)計在控制系統(tǒng)中最常用的控制算法是傳統(tǒng)的PID策略，其原理圖如圖2.1所示。積分控制比例控制微分控制對象-輸入輸出圖2.1 PID控制框圖PID控制是指：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。其控制的數(shù)學(xué)模型見式（2-1），即：(2-1)式中： KP-比例增益；TI -積分時間常數(shù)；TD-微分時間常數(shù)；t -時間；

26、u0-控制量u(t) 初始值；e -偏差。式（2-1）表明，系統(tǒng)控制量u(t) 是偏差e(t) 的比例、積分、微分控制的組合。PID控制蘊藏了自動控制系統(tǒng)動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息。其中比例（P）控制代表當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程的動態(tài)響應(yīng)迅速，是對于偏差e 的即時反應(yīng)。微分（D）控制是按偏差變化的趨勢進行控制，有超前控制的作用，代表將來的信息，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程開始時強迫系統(tǒng)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服震蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分（I）控制代表過去積累的信息，能消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。PID三種作用配合得當(dāng)，可以使系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程快速

27、、準(zhǔn)確、平穩(wěn)。在PID控制中，KP 、TI 、TD 等參數(shù)值直接影響著系統(tǒng)的動態(tài)性能。在確定PID的參數(shù)時，可采用理論方法，也可以采用實驗方法。采用理論方法確定PID參數(shù)往往需要有被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。確定PID參數(shù)是先比例、后積分、在微分，其步驟為：1）、首先加入比例部分，將KP 由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至性能指標(biāo)滿足要求為止。2）、若靜態(tài)誤差不能滿足要求，需要加入積分環(huán)節(jié)。首先取較大的TI 值，略降低 KP；然后，逐步減小TI，反復(fù)調(diào)整TI 和KP，直至系統(tǒng)得到所需要的動態(tài)性能，且靜態(tài)誤差得到消除為止。若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，系統(tǒng)動態(tài)過程仍不滿意，可加入微分環(huán)節(jié)。TD從零開始，隨后逐步增

28、大。同時反復(fù)改變KP和TI，反復(fù)調(diào)整三個參數(shù)，最后得到一組合適的參數(shù)。吸氫壓力控制模型和脫氫溫度控制模型擬在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，增加壓力、溫度預(yù)報和增益自適應(yīng)功能，即依據(jù)所檢測到的壓力、溫度參數(shù)以及原料屬性及工藝階段等參數(shù)，預(yù)報下一時刻的合適壓力或溫度。根據(jù)預(yù)報確定下一時刻的PID控制參數(shù)值，以達到工藝參數(shù)實時動態(tài)控制、提高吸氫、脫氫速率?？紤]到實際中存在許多不能被檢測到的復(fù)雜因素以及氫粉碎不同階段的不同爐況特點，吸氫、脫氫控制模型擬采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以求取得控制的最佳效果。數(shù)字控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計包括以下幾點：（1）估計存儲器容量、進行內(nèi)存分配：存儲器容量主要根據(jù)控制程序量和數(shù)據(jù)量以

29、及堆棧的大小來估計，并且要考慮到是否需要外存以及內(nèi)存的擴充。不同功能的程序最好分配在不同的內(nèi)存區(qū)域，并要考慮到便于系統(tǒng)的擴展和工作速度的提高。在I/O端口地址按存儲器統(tǒng)一編址的系統(tǒng)中，一般要選擇某一個內(nèi)存區(qū)域作為I/O端口地址區(qū)。這個區(qū)域的選擇必須注意不能打斷整個系統(tǒng)內(nèi)在的連續(xù)性，并應(yīng)讓所有I/O端口地址號盡可能靠在一起，以利于譯碼和擴展。（2）過程通道和中斷處理方式的確定：確定過程輸入輸出通道是總體設(shè)計中的重要內(nèi)容，通道應(yīng)根據(jù)控制對象所要求的輸入輸出參數(shù)的個數(shù)，來確定系統(tǒng)輸入輸出通道。在估算和選擇通道時，應(yīng)著重考慮：數(shù)據(jù)采集和傳輸所需的輸入輸出通道數(shù)；是否所有的輸入輸出通道都使用同樣的數(shù)據(jù)傳

30、輸率；它們是串行操作還是并行操作；是隨機選擇還是按某種預(yù)訂的順序工作；模擬量輸入輸出通道中字長選擇多少位等。中斷方式和優(yōu)先級別應(yīng)根據(jù)被控對象的要求和微處理器為其服務(wù)的頻繁程度來確定。一般用硬件處理中斷響應(yīng)速度比較快，但要配備中斷控制部件。用程序處理中斷響應(yīng)的速度要慢一些，但比較靈活，一旦情況發(fā)生變化，改變比較容易，適應(yīng)性較強。（3）硬件和軟件的具體設(shè)計：硬件和軟件有一定的互換性。多用硬件完成一些功能，可以改善系統(tǒng)性能，加快工作速度，但由此也會增加系統(tǒng)的硬件成本。若用軟件代替硬件的功能，雖然可以減少元件的數(shù)量，但系統(tǒng)工作速度相應(yīng)降低?；居布蒀PU、存儲器、輸入輸出(I/O)接口電路、電源、鍵

31、盤等組成。I/OD/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換傳感器CPU中央處理單元加熱信號顯示及鍵盤存 儲 器電 源單片機是在一片芯片上集成了CPU、ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定時器/計時器以及各種I/O接口等構(gòu)成的一個完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。單片機具有如下特點：1.體積小，重量輕，功耗低，功能強，性價比高。2.抗干擾能力強。3.結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機應(yīng)用系統(tǒng)。4.應(yīng)用廣泛。一、擴展芯片（1）程序存儲器(ROM)：擴展程序存儲器常用的芯片是EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）型（紫外線可擦除型），如2716（2K8）、2732（4K8）、2764

32、（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）等。另外，還有+5 V電可擦除EEPROM，如2816（2K8）、2864（8K8）等等。（2）數(shù)據(jù)存儲器：常用的外部數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)RAM（Static Random Access MemorySRAM）和動態(tài)RAM（Dynamic Random Access MemoryDRAM）兩種。前者讀/寫速度高，一般都是8位寬度，易于擴展，且大多數(shù)與相同容量的EPROM引腳兼容，有利于印刷板電路設(shè)計，使用方便；缺點是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相對較低；缺點是需要增加一個刷新電路，附加另外的成

33、本。一般情況下，SRAM用于僅需要小于64 KB數(shù)據(jù)存儲器的小系統(tǒng)，DRAM經(jīng)常用于需要大于64 KB的大系統(tǒng)。（3）I/O擴展集成芯片：I/O擴展集成芯片可分為兩種類型：專用I/O擴展芯片，這類芯片專用于擴展I/O口，如8255；I/O擴展復(fù)合芯片，這類芯片除能擴展I/O口外，還能通過它再擴展其他外圍功能電路，如8155。二、鍵盤/顯示接口鍵盤是操作者與數(shù)控技術(shù)交換信息的主要設(shè)備之一，操作者使用鍵盤進行程序的輸入和編輯，按鍵一般通過三態(tài)緩沖器或8255，8155等并行I/O接口芯片與CPU或單片機相連，有并行和矩陣兩種連接方式。顯示器是操作者與數(shù)控技術(shù)交換信息的另一主要設(shè)備。它是程序輸入編輯

34、的窗口和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視的窗口。顯示器的種類很多，常用CRT顯示器和LED顯示器。由于發(fā)光二極管LED功耗小、亮度強、控制簡單可靠，且價格低，因此LED顯示器在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。對鍵盤/顯示器接口的設(shè)計應(yīng)滿足兩個要求：1功能技術(shù)要求；2可靠性高。但系統(tǒng)不同，要求就不同，接口設(shè)計也就不同。對一個鍵盤/顯示器接口設(shè)計應(yīng)從整個系統(tǒng)出發(fā)，綜合考慮軟、硬件的特點，合理分配軟、硬件的比重。在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。三、開關(guān)量接口電路在系統(tǒng)中有許多被控制或檢測的點都屬于開關(guān)量，如各種操作檢測開關(guān)的通斷，繼電器的吸合與釋放，電磁閥的打開與關(guān)閉等都屬于開關(guān)量信號。對于開關(guān)量輸

35、入/輸出通道有下列主要的技術(shù)要求。（1）應(yīng)使開關(guān)量信號為單片機便于識別的“0”和“1”或“低電平”和“高電平”，而對單片機輸出開關(guān)量控制電磁閥或繼電器，必須設(shè)置驅(qū)動放大環(huán)節(jié)，以便于驅(qū)動繼電器動作。（2）開關(guān)量輸入/輸出通道應(yīng)能良好地隔離外圍設(shè)備、電源對單片機的干擾?？刹捎霉怆婑詈想娐穼ν鈬O(shè)備和設(shè)備電源等進行隔離，并實現(xiàn)不同電源的外圍設(shè)備和單片機系統(tǒng)的接口。（3）開關(guān)量接口應(yīng)注意避免出現(xiàn)懸空狀態(tài)，及高阻態(tài)。為此，應(yīng)在電路接入用于克服懸空狀態(tài)的上拉（或下拉）電阻，以使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。四、模擬量接口電路在系統(tǒng)中有許多模擬信號，如一些檢測反饋信號。對于輸入模擬信號，要通過數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成

36、數(shù)字信號后，單片機才能處理?？梢圆捎肁D574芯片。五、時鐘和復(fù)位電路時鐘電路根據(jù)選取的單片機及系統(tǒng)要求來確定。復(fù)位電路可以選擇復(fù)位芯片來完成。有許多的復(fù)位芯片，如MAX809、MAX810、MAX813、MAX708等等。在該系統(tǒng)中需要采集的信號如表2.1表2.1 采集信號序號采樣信號名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）傳感器占用硬件資源說明1溫度信號模擬溫度傳感器P0口通過A/D轉(zhuǎn)換2 壓力信號模擬壓力傳感器P0口通過A/D轉(zhuǎn)換控制量如表2.2表2.2 控制量序號控制量名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）控制器占用硬件資源說明1真空泵開關(guān)驅(qū)動電路PC4-PC6無2加熱器開關(guān)繼電器，接觸器 P12無3冷卻帶開關(guān)繼電器，

37、接觸器P11無3電磁閥開關(guān)繼電器，接觸器P13-P17無本章介紹了系統(tǒng)的控制原理和數(shù)學(xué)模型，還有系統(tǒng)總體設(shè)計方案，并且對系統(tǒng)總體設(shè)計方案的各個部分進行了簡要概括和說明，最后是對采樣信號和控制量的分析。數(shù)控控制系統(tǒng)有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。控制系統(tǒng)在使用中的控制對象各不相同，但其硬件組成基本一致，在本設(shè)計中采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)，使用MCS-51系列單片機中80C52芯片單片機，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關(guān)等，組成功能比較完善、抗干擾性能較強的系統(tǒng)。對于中央處理器來說，其主要功能和任務(wù)是數(shù)據(jù)計算和信息處理，同時能夠進行實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制。由于

38、單片機主要面向工業(yè)控制，工業(yè)環(huán)境比較惡劣，如：高溫、強電磁干擾，甚至腐蝕氣體，在太空中還要有強大的抗輻射能力。圖3.1 MC-51系列單片機引腳圖 圖 3.2 CPU資源總線分配圖 CPU選型 80C52是增強型MCS-51系列中較為常用的一種單片機，其具有特點如下：1、該單片機與標(biāo)準(zhǔn)型MCS-51芯片100%兼容，片內(nèi)集成了3個16位定時/計數(shù)器，同時增加了向下計數(shù)和時鐘輸出功能，同時具有幀錯誤偵測和自動地址識別功能。2、為了方便外部RAM不同存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳送，采用雙數(shù)據(jù)指針DPTR（為此增設(shè)了輔助功能寄存器AUXR1）。3、 為了降低電磁輻射，允許關(guān)閉地址鎖存信號ALE。為此增加了輔

39、助功能寄存器AUXR。4、 擴展了中斷控制器功能，可以管理具有4個中斷優(yōu)先級的6個中斷源，為此增加了高8位中斷優(yōu)先級控制器IPH。5、 普遍采用CHMOS工藝，工作電壓低、范圍寬（1.8V6.0V），可用電池供電，方便在野外作業(yè)使用。同時改進了電源管理功能，允許通過外部中斷方式喚醒掉電模式。6、 時鐘周期較高，其最高時鐘頻率可達33MHz。綜合上述，在該系統(tǒng)的設(shè)計中系統(tǒng)所要求的各項性能指標(biāo)采用該型號單片機完全可以勝任。 資源總線分配圖CPU資源規(guī)劃見圖3.2所示，在該設(shè)計中P0作為數(shù)據(jù)和地址復(fù)用端口使用，P1口作為輸入輸出口使用，對系統(tǒng)的各個參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。P2口作為地址專用端口，對擴

40、展芯片進行地址選通工作。P3口主要是多功能輸入輸出口。當(dāng)中央處理系統(tǒng)內(nèi)部存儲單元內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的存儲量較小，不能滿足實際需要時還要擴展數(shù)據(jù)存儲器，另外，在單片機內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接，但是外圍設(shè)備較多時，僅幾個內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此單片機還需要擴展I/O接口芯片。 程序存儲器的擴展MCS-51系列單片機的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間相互獨立。程序存儲器的尋址空間為64KB（0000H-0FFFFH），其中80C52內(nèi)部有8KB的片內(nèi)存儲ROM，當(dāng)片內(nèi)存儲器不夠時需要擴展，常使用EPROM。由于MCS-51單片機的P0口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進

41、行程序存儲器擴展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的8位寄存器74LS373，也可以使用帶清除端的8位鎖存器74LS273。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可以直接與單片機的鎖存控制信號ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。在該系統(tǒng)的設(shè)計中采用的程序擴展芯片位27128（8KB*8）EPROM存儲芯片，其圖3.3 MCS-51單片機程序存儲器擴展電路要求供電源為+5V，維持電流位35-40mA，工作電流為75-100mA,讀出時間為250ns，A0-A12位地址線；D0-D7位數(shù)據(jù)線；CE為片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線，低電平有效；V

42、pp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖電源。因為27128用到13根地址線（A0-A12）。由于系統(tǒng)只擴展了一片程序存儲器，故可將片選端OE直接接地。同時，80C52運行所需要的程序指令直接來源于27128，故要把EA端接地，否則80C52不會運行。 數(shù)據(jù)存儲器的擴展80C52單片機內(nèi)部有128B的RAM存儲器。CPU對內(nèi)部有豐富的操作指令。但在用于實際數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)的128B的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可以利用MCS-51的擴展功能擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。 如圖3.4所示P26、P27端為10時6264選通，其余為高電平故其地址為EFFFH。如圖3.4所示，因

43、為系統(tǒng)存儲器的芯片不止一個同時還有A/D轉(zhuǎn)換器、8255等芯片進行擴展，這時就采用圖3.4高位地址譯碼法，即將CPU地址總線的低為作為存儲器的片內(nèi)譯碼信號，與存儲器的地址總線直接相連。而CPU的高位地址線經(jīng)過譯碼器譯碼后產(chǎn)生的信號作為不同的存儲器芯片的片選信號或擴展I/O口信號。如果CPU所有的地址線均參與譯碼，系統(tǒng)中任一存儲器芯片的任一存儲單元將有惟一的地址編碼，圖3.4單片機擴展外部RAM的電路圖那么這種高位地址譯碼法稱為全譯碼法。其優(yōu)點是每個擴展的單元的地址是唯一的。數(shù)據(jù)存儲器只能使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因為如此，數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，均為0000H-0FFFFH，但數(shù)據(jù)

44、存儲器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對RAM進行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占用的P2端口不同），在對外部RAM讀寫期間，CPU產(chǎn)生讀寫信號。 I/O擴展在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機本身提供給用戶可使用的I/O口并不多，只有P1口和部分P3口。因此，大部分單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中都不可避免的在單片機外部擴展I/O口。由于MCS-51的外部存儲器RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64KB的數(shù)據(jù)存儲器的空間的一部分接口作為外圍I/O的地址空間。這樣單片機就可以像訪問外部存儲器RAM一樣訪問外部接口芯片，對其進行讀寫操作。圖3.5為常用的外圍

45、I/O口擴展芯片8255的引腳圖。8255引腳功能說明： RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 圖3.5 8255的引腳圖 CS:片選信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊。 RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫8255。 D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，

46、通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。4鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個關(guān)鍵部件，它能向計算機輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，也是人工干預(yù)計算機的主要手段。鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的組合。通常按鍵開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、分作用。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合或斷開時不會馬上接通或斷開，在閉合及斷開的瞬間均伴有連續(xù)的抖動，抖動時間的長短有案件的機械特性所決定，一般為5-10ms18。鍵的閉合與否，反映在電壓上是呈現(xiàn)高電平還是低電平，如果高電平表示斷開，低電平則表示閉合，所以，通過高低電平的檢測，便可以確定是否有按鍵按下。為了確保CPU對一次按鍵只確

47、認(rèn)一次，就必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常有軟件、硬件兩種方法。硬件防抖常采用雙穩(wěn)態(tài)消抖和濾波消抖電路，在按鍵較少時采用較多；如果按鍵較多則硬件防抖難以勝任，因此常采用軟件防抖的辦法，其原理是在第一次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后再確認(rèn)是否有按鍵按下，如果有則就確認(rèn)有按鍵按下，從而消除抖動，本系統(tǒng)采用軟件防抖。矩陣式鍵盤的設(shè)計：矩陣式鍵盤適用于案件數(shù)量較多的場合，它有行線和列線組成，一個44的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個具有16個按鍵的鍵盤，其優(yōu)點是比獨立式鍵盤節(jié)省I/O口。按鍵在行、列線的交點上，行列線分別接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V的電源上。平時無按鍵按下

48、的時候其處于高電平，而當(dāng)有按鍵按下時，則有列線電平所決定。如果列線電平為低電平，則行線為低電平；如果列線電平位高電平，則行線為高電平。這一點是識別有無按鍵按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中的行線、列線為多鍵共用，每個按鍵均能影響該鍵所在的行電平和列電平。所以，必須將行電平和列電平配合起來處理，才能確定閉合點的位置。圖 3.6 44矩陣鍵盤電路圖對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號，這將非常直觀的。如12H表示第1行第2列的按鍵，而A3H則表示第10行第3列的按鍵等等。但是這種編碼對于不同的鍵，離散性大

49、，因此不利于散轉(zhuǎn)指令。所以常采用依次排列鍵號的方式進行編碼。以44鍵盤為例，可將編碼為01H，02H，09H，0AH，0FH，10H共16個。無論以何種方式編碼，均應(yīng)以處理問題方便為原則，而最基本的是鍵所處的物理位置即行號和列號，它是各種編碼之間相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，編碼相互轉(zhuǎn)換可以通過查表的方式實現(xiàn)。 在單片機系統(tǒng)中，常采用的顯示器有：發(fā)光二極管（LED）顯示器，液晶顯示器（LCD），熒光屏顯示器。在該系統(tǒng)中采用7段碼LED顯示器，共陰極動態(tài)顯示。在動態(tài)顯示電路中雖然每次只點亮一個LED數(shù)碼管，但是由于人的視覺暫留就使得人們看到的是一個連續(xù)的顯示。LED不同位顯示的時間間隔可以通過定時中斷來完成，

50、在該系統(tǒng)的設(shè)計中硬件譯碼電路由74LS48來完成，其引腳圖接線圖如圖3.7所示。圖3.7 74LS48的引腳圖表3.1 74LS48的功能表3.4.1 信號采樣電路設(shè)計在該系統(tǒng)的設(shè)計中，需要采集的信號為氫粉碎爐內(nèi)溫度和壓力，通過溫度傳感器和壓力傳感器進行檢測，其檢測信號通過A/D轉(zhuǎn)換器17，送入單片機的P1口，然后由單片機進行處理。在本設(shè)計中采用的是12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A，A/D574是美國模擬器件公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換最快速度為35S轉(zhuǎn)換誤差為0.05%，是目前我國應(yīng)用最廣泛，價格適中的A/D轉(zhuǎn)化器。加之其內(nèi)部含三態(tài)輸出緩沖電路，可以直接與各種微處理器相連

51、，且無需附加邏輯接口電路，便能與CMOS及TTL電平兼容。內(nèi)部配置高精度的參考電壓源和時鐘電路，使它不需要任何外部電路和時鐘信號，就能夠完成A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)服用十分方便。在AD574A上有兩組控制引腳，即通用控制引腳（CE、CS和R/C），以及內(nèi)部寄存器控制輸入引腳（12/8和A0）。通用功能引腳入下表3.2值得注意的是：1、轉(zhuǎn)換器的啟動和數(shù)據(jù)的讀出由CE、CS和R/C引腳來控制。當(dāng)CE=1，CS=0且R/C=0時，轉(zhuǎn)換過程開始，當(dāng)CE=1，CS=0且R/C=1時，數(shù)據(jù)可以被讀出。由圖3.8其轉(zhuǎn)換電路所示其CS端由74LS139譯碼得到，其讀信號由80C52的讀信號端來進行控制讀取。2、A0

52、為字節(jié)選擇端。A0的引腳有兩個作用，一是選擇時間轉(zhuǎn)換長度；二是與8位微處理器兼容時，用來選出讀出字節(jié)。在轉(zhuǎn)換之前，設(shè)A0=1，AD574A按8位轉(zhuǎn)換周期，轉(zhuǎn)換完成時間為25s，這與12/8的狀態(tài)無關(guān)，在讀的周期內(nèi)，A0=0高四位數(shù)據(jù)有效；A0=0，低四位有效。注意，如果12/8=1，此時的狀態(tài)不起作用。AD574A共有五根控制邏輯線，用來完成尋址、啟動、和讀出功能，現(xiàn)根據(jù)表3.2和圖3.8設(shè)計方案進行說明：1、圖3.8中兩個滑動電阻的設(shè)置，其作用是為了進行零位的調(diào)整。2、由于和單片機的P0口進行數(shù)據(jù)傳輸，同時數(shù)據(jù)格式選擇端12/8恒為低電平（接地），所以數(shù)據(jù)分兩次讀出,字節(jié)控制端A0由P0.0

53、口經(jīng)鎖存器控制。在轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)A0=0,按12位轉(zhuǎn)換；讀數(shù)時，P0.0=0讀取高8位數(shù)據(jù)，當(dāng)P0.0=1時，則讀取低4位數(shù)據(jù)。同時作為片選端P2.6、2.7為10片被選中，所以其讀高8位地址為：BFFEH，讀低4位地址為：BFFFH。3、由于和單片機的P0口進行數(shù)據(jù)傳輸，同時數(shù)據(jù)格式選擇端12/8恒為低電平（接地），所以數(shù)據(jù)分兩次讀出。4、啟動A/D轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，由CE、CS和R/C引腳來控制。圖中CS由譯碼器74LS139譯碼結(jié)果作為片選信號，CE始終接再高電平端，R/C控制器由單片機的WR進行控制，所以只有在譯碼器的CE輸入為低電平和單片機發(fā)出讀信號后才能讀取數(shù)據(jù)，不發(fā)出讀信號只有譯

54、碼端輸出時A/D進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。CECSR/C12/8A0操作0禁止1禁止1000啟動12位轉(zhuǎn)換1001啟動8為轉(zhuǎn)換101接1腳（+5V）輸出數(shù)據(jù)格式為并行12位101接地0輸出數(shù)據(jù)格式為并行8位101接地1低四位加上尾隨4個零位有效表3.2 AD574控制信號組合表圖 3.8 AD574與80C51的接口電路5、在該采樣系統(tǒng)中，讀取數(shù)據(jù)方式定是采樣的方式，雖然是實時較差了點但是足可以滿足該系統(tǒng)的設(shè)計要求。1主要技術(shù)參數(shù)1）輸出形式：420mADC 05VDC 2）供電電源：24VDC 3）準(zhǔn) 確 度：0.5 0.25 4）介質(zhì)溫度：20855）環(huán)境溫度：10606) 響應(yīng)時間：30mS7) 負(fù)載能力：電流型600（不帶顯示） 300（帶顯示） 電壓型 3K8) 過載壓力：2倍9) 過程連接：M20X1.5外螺紋 2.選型表JYB-K產(chǎn)品系列代號O不防爆型B防爆型P防護型鑄鋁外殼A電流輸出V電壓輸出 G-表壓A-絕壓1420mADC（可帶顯示