（检测技术与自动化装置专业论文）渗碳炉碳势测控系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 渗碳是热处理行业里一道非常重要的工艺，渗碳工艺过程的执行，直接关系到热处理产品的质量。 本文首先简要叙述了井式渗碳炉在滴注式气氛中的渗碳原理及其控制方案，并阐述了渗碳过程中各工艺 参数对渗碳结果的影响；然后在对渗碳工艺原理认识的基础上，设计开发以单片机为核心的低成本碳势 测控仪，实现对渗碳过程的控制。 本系统采用增强型m c s 5 l 单片机( p 8 9 c 5 l r d 2 ) 作为控制仪的核心，通过软硬件设计与调试，完 成了渗碳炉碳势控制仪的研制开发。系统中使用了多种总线接口芯片( 单总线、1 2 c 、s p i ) ，简化了接口 电路，并分别针对各自的通信协议设计基于c 5 1 语言的软件包；开发设计了基于c p l d 的键盘、显示接 口，可以在没有单片机参与的情况下独立完成键盘的扫描编码，且具有较好的通用性与可移植性：采用 l c d 与l e d 相结合i ! | 勺数据、状态显示方式，人机交互更加友好；仪表具有软件自校正功能，在不增加 系统成本的前提下提高了测量精度；氧电势及热电势的处理都采用了分段线性插值的方法，在保证测量 精度的前提下节省存储空间；热电偶冷端补偿采用了美周d a l l a s 公司生产的单总线数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 ，可直接输出数字信号，节省了放大及数模转抉模块；提供r s - 4 8 5 通讯接口，实现与计算机的 数据交换且可通过刚络组成集散控制系统。 关键词：渗碳单片机c p l d 液晶显示d s l 8 8 2 0 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 盯b u i z a n 加i 5av e f yi 1 1 1 p o n a n tt e c h n i c si nh e a t 打e a 舡n e m t h ep r o c e s s i i 毽o f c a r b u r i 船t j o na 丘b c t s 吐l eq u a m y o fp r o d u c c si nh e a t 打e a n n e n td i r e c t l yt h em e o r yo fc a r b u r i z a t i o na n dn sc o n 廿o lm e m o di 1 1d r o p f e e d a 廿n o s p h e r ei i lw e u - t y p e 胁a c ea 】ed e s c r i b e db r i e f l y a sw e ua sm ei n t e m c t i o na m o r 培p a r 啦e t e r so f c a r b u r i z i n gp r o c e s s ac a r b o np o t e l l t i a lm e a s i l r e ra n dc o n t r 0 1 l e rw i ml o wc o s ta 1 1 dh i g ha c c l l r 觚yw a sd e v e l o p e d ， i i lw h i c ham c uw a sl l s e dt oc o n 廿o lt h ep r o c e s s i l l go f c a r h 】r i z a t i o n t h es y s t e mi sd e v e l o p e dt 1 1 r o u 曲h a r d w a r ea n ds o f 呐a r ed e s i 驴i 1 1 9 明dd e b u g g i n g ，i nw h i c ha ne r 血a n c e d m c s - 5 1 口8 9 c 5 1 r d 2 ) i s 血ec o r e s y s t e mu s e sav a r i e t yo f b u si m e r f a c ec h i p s ( 1 - w i r e ，1 2 c ，s p i ) t os i i n p l i 母 砷尉f a c ec i r c u i t s k e y b o a r d d i s p i a yi 1 1 t 刚k ei s d e v e l o p e do nc p l d ；i tc a nc o m p l e t ek e y b o a r ds c 蛐蚰dc o d e w i 也o u tt h ep a n i c i p a t i o no f m c u i tp r o v i d e s 仔i e n d l ym a n m a c h i l l ei m e r f a c eb yac o m b 血a t i o nl l s i 工l go f l c d a i l dl e d np r e s 锄t sm em e t h o do fu s i n gs o f t 、v a r et oc a r r ，o u tc a l i b r a o n 蚰dc o m p e n s a t i o n ns a v e ss t o r 矩e s p a c eb ya p p l y i n g 血em e t h o do fp i e c e w i s el i l l e a ri m e r p o l a t i o nt op e r f o r ms c a l e s 仃a n s f o m a t i o n t h es y s t e m u s e sd s l 8 8 2 0t om e a s u r et h ee n v i r o n m e m a i t e m p e r a n l r e ，a n da st h ec o m p e n s a t i o no f c 0 0 1 e n dt e m p e r a t u r e n a l s op r o v i d e so n er s 4 8 5p o r tt oe x c h a n g ei n f o m a t i o nw i 血i p c k e y w o r d s ：c a r b u r i z 鲥o nm c uc p l dl c dd s l 8 8 2 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：邀 日期： 童碰：i ：垒星研究生签名：立趁 日期： 童碰：i ：垒鲨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，一j 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：五拖导师签名 期： 第一章绪论 第一章绪论 人类的发展史是与金属材料的应用及其发展紧密相连的，特别是在近现代，金属材料在人类文明 中更是占有非常重要的地位。从军事领域到家用电器，从航空航天到水陆交通，金属材料在人类生产 生活的各个领域都得到了非常广泛的应用。可以说，没有各种性能符合要求的金属材料，人类社会现 代文明的出现和发展是根本不可能的。不同的应用领域对金属材料的性能要求也不一样，为了使金属 材料获得所需要的性能，热处理技术在金属制品加工制造过程中发挥着重要的作用。 本章首先简单介绍国内热处理的发展情况，然后对渗碳工艺的相关知识进行概述，f ：介绍了本课题 的主要研究内容。 1 1 国内热处理的发展概况1 】【2 l 我国是世界上最早掌握金属热处理技术的国家之一。到明代时，已经普遍使用了固体渗碳方法， 同时也掌握了固体渗碳过程中的检验方法。但是到了近代，我列的热处理技术与其他科学技术一样， 长期落后于西方发达国家。建国前( 1 9 4 9 ) ，我国仅有个别兵工企业有工业规模的热处理。直到1 9 5 0 年中期苏联援建的1 5 6 个大型企业建成后，我国才有了初具规模的热处理车侧和工段。 上世纪7 0 年代末国家提出改革开放政策以来，我国投入大量资金从国外引进了各种先进的热处理 技术、工艺和设备。其中包括从英国、美国、日本和澳大利亚引进的用氧探头控制炉气碳势技术，从 德国、加拿大和奥地利引进的s u 口e r c a r b ，h v d r 0 n ns e n s o r ，n i t r e x 渗碳渗氮技术。 1 9 8 0 年代以来，以汽车行业为代表，我国开始大规模地进行热处理生产技术改造，从国外引进大 量先进技术和设备，使汽车工业热处理面貌为之一新。同绕汽车工业的配件、紧吲件、轴承、j 二模具 等行业的热处理设备条件也大为改观。 1 9 9 0 年代后的航空和国防工业的迅猛发展也为热处理的技术改造创造了难得的机会，尤其是真空 平1 1 可控气氛热处理设备在这两个行业的比重空前增加。 1 9 9 5 年以后，随着国家经济由计划经济向市场经济的转化，在华南、东南沿海地区，出现了大量 民营的热处理专业厂。虽然其中不乏资金充足、技术起点高、符理完善、发展迅速的佼佼者，但其中 大多数的热处理企_ k 规模小、生产条件较差、技术力量薄弱，有待逐步完善。 1 2 渗碳工艺概述1 在工业上实际应用的热处理工艺，尽管其形式和工艺参数各不相同，但就其热处理的基本过程( 即 热作用过程) 来说，无论哪一种热处理工艺，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。根据热处理 时外界对金属材料施加的基本作用( 主要是热作用、化学作用和机械作用等) 以及材料内部组织、结 构和状态变化的特点，可将常用的热处理形式分为三类，即基本热处理、化学热处理和形变热处理。 化学热处理是一种对金属制件综合地施以热作用和化学作用的热处理形式。在一般情况下，它是将放 置在活性介质中的金属制件加热罕一定的温度，使活性介质中的某些元素( 金属或非金属) 渗入制件 的表层，以改变表层的成分和组织。有时，在一定的外界条件下( 例如真空) 化学热处理也可以借助 于高温时金属制件内部元素的逸出，以去除制件中的某些有害杂质。其中应用最广泛的是以金属或非 金属( 特别是非金属元素) 渗入金属制件表层的处理工艺。 化学热处理时，渗入元素进入制件表层通常包括如下三个基本过程，即分解、吸收和扩散。这是 三个相对独立、交错进行而又互相配合、互相制约的过程。为使钢件表面和心部具有不同的机械性能 或物理化学性能，钢制零件生产过程中较常用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。 东南大学硕士学位论文 1 2 1 渗碳处理基础5 】【7 】 渗碳就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温( 一般为9 0 0 9 5 0 ) ，使活性碳原子渗入钢的 表面，以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火，使钢件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗 力，而心部仍保持足够的强度和韧性。根据渗碳方式的不同，可分为固体渗碳，气体渗碳与液体渗碳， 其中以气体渗碳应用最为普遍。 ( 1 ) 气体渗碳原理 气体渗碳是将气体渗碳剂通入高温的密封炉罐内进行裂化分解，产生活性碳原子，然后通过吸收 和扩散过程，使碳渗入到钢件中去。其主要反应式为： c o + h 2 0 寻c 0 2 + h 2 ( 1 1 ) c h 4 + c 0 2 寻兰2 h 2 + 2 c 0 c h 4 + h 2 0 寻兰c o + 3 h 2 2 c o + h 2 2 c 】+ h 2 0 + 0 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 【c 】即为活性碳原子。 在实际渗碳炉中，存在着锌种气体，炉内气氛是十分复杂的炉气碳势是炉内各种气体的渗碳和 脱碳作心的综合，炉内化学反应只是趋于平衡。随着条件的不同，上述反应可以朝不同方向进行。当 反应达到动态平衡时，工件与炉气之间碳交换处于相对平衡状态，这时工件表面的含碳量称为炉气的 碳势。 ( 2 ) 气体渗碳介质 主要分为两类：一类是液体介质，如煤汕、苯、丙酮等，使用时直接滴入炉中，通过调节滴入量 控制工件表面碳的浓度；另一类是气体介质，如天然气、液化石油气等，使用时多加入一定比例的吸 热型气氛予以冲淡。 1 2 2 国内渗碳控制技术的发展【2 】 6 】 渗碳是汽车拖拉机工业应用最广的工艺方法之一。五十年代我国实现了从固体渗碳到井式炉中滴 入液体的气体渗碳的过渡，改善了产品质量，提高了工效。六十年代初研制成功l i c l 露点仪以后，首 先在井式渗碳炉上实现了滴入甲醇和_ 丙酮的可控渗碳。在掌握了吸热式气氛制备方法和研制成功密封 渗碳炉以后，用露点仪实现了密封渗碳炉的碳势控制。六十年代末期研制成功红外线c 0 2 分析仪。为 了提高碳势控制精度，在七十年代推广了红外仪，用于井式炉的滴注式渗碳。目前用滴甲醇和煤油方 式的可控渗碳已经达到相当普及的程度。 为应对制备吸热式气的原料天然气和液化石油气供应紧张，八十年代初期，我国研制成功碳 分子筛制氮机。随后用氮基气氛、甲醇和乙酸乙酯( 或煤油) 的合成气氛渗碳法便应运而生。与此同 时，从英国k e m h l s 咖e m c o 引进了用氧探头的气氛微量氧( 氧势) 测量、控制技术和仪器。 目前，应用氮基合成气氛和氧探头的炉气控制技术的渗碳、用微处理机控制碳势和渗碳厚度的方 法已在生产中得到实际应用。 1 3 论文研究的主要内容 钢制零件的渗碳工艺受到多种因素的影响，若控制不当，会造成渗碳层过厚、渗碳不足等缺陷 2 第一章绪论 导致钢制零件的性能不能达到应用要求。采用传统手动调节方式控制渗碳过程，不但对操作员的技术 水平与经验有较高要求，而且碳势控制精度不高，渗碳质量很不稳定，既浪费社会及企业资源，又增 加了企业的生产成本。我国目前有大量的热处理企业单位及设备，但大多数处理设备和工艺落后，不 仅能耗大，污染严重，而且设备的可靠性差，自动化程度低，生产质量不稳定。对原有设各进行技术 改造，实现渗碳工艺的自动化控制，是在资金有限的情况下，提高钢制零件渗碳质量与企业生产效率， 降低企业生产成本的有效途径。 本设计针对目前在我国使用较为广泛的滴注式井式渗碳炉，研制开发一种低成本智能型碳势控制 仪表，在控制成本的同时，实现渗碳系统的自动化改造。 基本技术指标及设计功能要求有： 1 碳控精度：0 0 5 。 2 温度( 三测点) 检测精度：1 3 氧电势检测精度：l m v 4 控制设定：可现场设定单点控制，也可按工艺编程控制( 应能随时输入2 0 个工艺) 5 c o 补偿设定：能输入设定c o 古量( 1 6 种) 6 报警功能：超温、超碳势报警 7 人机界晰：能显示实测值和设定值。参数设置从强渗阶段开始。 本论文主要完成的内容为： 1 对渗碳丁艺的认识：由于此前对渗碳工艺没有任何了解，在本课题中，首先通过翻阅相关文 献对渗碳工艺的原理与特点有了一定的认识与了解，便于控制方案的选择。 2 控制系统的硬件设计与调试：根据任务要求设计控制系统原理电路，选择合适的芯片，完成 p c b 的绘制，并对硬件电路板进行调试。 3 控制系统的软件设计与调试：根据系统功能及操作过程，列出程序的流程框图，划分功能模 块。采用c 5 1 语言编写源程序，实现各模块的功能，并完成模块功能联调。 东南大学硕士学位论文 第二章渗碳系统的构成与控制 渗碳炉渗碳系统按炉内气氛的制备方式可分为几种，目前应用的主要有滴注式气氛渗碳、吸热式 气氛渗碳、氮基式气氛渗碳等。这几种渗碳方法各有特点，本章将简要论述井式渗碳炉滴注式气氛的 特点和本论文提出的碳势控制系统控制方案。 2 1 滴注式气氛渗碳特点 滴注式气氛渗碳是将煤油、苯等液体渗碳剂直接滴入渗碳炉进行气体渗碳。为了准确控制工件表 面含碳量，可向炉内同时滴入两种有机液体：一利- ( 如甲醇、乙醇) 分解后产生渗碳能力较差而还原 能力较强的稀释气，在渗碳初期排除炉内空气，并保持炉内正压。另一种( 如煤油、丙酮等) 则形成 渗碳能力较强的富化气。按照炉气露点与碳势的关系，调整两种液体的比例，可使工件表面含碳量控 制在预定范围内。 滴注式气体渗碳工艺过程，通常可以分为：升温排气、渗碳( 包括强渗和扩散) 、降温冷却几个阶 段，立图2 1 所示。各个阶段的工艺要求不一，所采取的控制方式以及参数设定也不尽相同。 2 2 碳势测量及控制7 1 1 8 l 阶段开始计时其后 水问断，f j ：管温度、 碳势如何变化。 图2 1 滴注式井式炉气体渗碳工艺过程 间 in 1 在气体渗碳工艺中，要得到性能符合要求的钢件，必须对炉气成分做严格的控制，即控制炉气碳 势。本节将介绍碳势测量及控制的基本原理与方法。 2 2 1 碳势控制原理 如前所述，碳势是指在一定温度下，一定成分的气氛与钢的脱碳增碳反应达到平衡时，钢的含碳 量。例如，在一定温度下，渗碳炉内含碳0 1 的钢达到平衡状态，既不脱碳也不增碳，那么该温度下 4 第二苹谬碳系统的构成与控制 炉气气氛的碳势即为0 1 。 由式1 1 式1 4 可知，c 0 2 与h 2 0 ，c h 与h 2 0 ，c 地与c 0 2 以及0 2 与h 2 0 含量之问是有一定制 约关系的，亦即在一定条件下，一定量的c 0 2 就对应着一定量的h 2 0 、c h 4 和0 2 。在供应的原料气组 分稳定的情况下，只要控制气氛中微量组分c 0 2 、h 2 0 、c 出或0 2 种的任何一个含量，便可控制反应 达到某一个平衡点，从而实现控制气氛碳势的目的。仅控制一种组分，称为单参数渗碳控制：控制二 种或以上组分，则称为多参数渗碳控制。单参数渗碳控制具有控制简单，易于实现等特点，因而较适 于普通渗碳设备的改造。本论文采用的就是单参数渗碳控制，以下对其作简单介绍。 钢在渗碳气氛中存在反应【c ，+ c 0 2 ；兰2 c o ，其反应平衡常数为 墨= 碥( ：- 吒) 即 吼墨= 瑞毫。： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中： 【c 】。钢中所含碳： 碳在奥氏体( y - f e ) 巾的有效浓度，又称奥氏体中碳的活度。例如，含碳0 8 的钢在l o o o 时，由于分子问作用力的影响，只起到吼为0 4 5 的作用，故称此值为有效浓度。 气氛中还存在c 0 2 + h 2 c o + h 2 0 可逆反应，其反应平衡常数为 正：业 2 足。晶， ( 2 3 ) 即= 铃 。， 其巾，p c 0 2 、尸c o 、p e n o 、p h 2 分别代表下标所示气体的分压。 由式2 2 与式2 4 可得 旷警 ( 2 5 ) 口= 2 一 u 3 】 k 晶，。 、。 在一定温度正常反应下，r n p c o 为恒量，墨、岛为定值，于是可通过测定h 2 0 ( p h 2 0 ) ，得知 气氛中的，同理，也可通过测定c 0 2 ( j 乇0 2 ) ，求得气氛中的啦。 又因为有如下关系存在 a 。= c p c j ( 2 6 ) 式中： c 厂在一定温度下，奥氏体( y f e ) 中的饱平含碳量，为恒量； c 厂一与g 同一温度下，奥氏体( 十f e ) 中得不饱和含碳量，即钢的含碳量。 所以，通过吼即可知道气氛中的碳势。即控制单一参数h 2 0 或c 0 2 的含量就可以控制渗碳气氛的 碳势。 在渗碳气氛中，还有如下反应 c o + 昙0 2 c 0 2 其平衡常数： ( 2 7 ) 东南大学硕士学位论文 毕斋 最。( 晶， 2 ( 2 8 ) 或 足o ：2 玛。( 晶：) 2 ( 2 9 ) 将式2 9 代入式2 2 可得 d 4 。= 警l 丁 ( 2 1o ) 。 k 。恐( 昂：) 2 在一定温度下，正常反应时，气氛中c o 为恒量，置l 、玛为定值，根据式2 1 0 可知，口c 与尸0 2 存在一定的平衡关系，即c p 和p 0 2 存在一定的关系。所以可以通过测量( 控制) 炉内氧势达到测量( 控 制) 气氛碳势的目的。 向渗碳炉内滴入煤油或其它富化剂时，将会影响路内化学反应的平衡状态，进而影响d 。与炉内碳 势。所以在渗碳过程中可通过控制煤油滴带来控制炉气碳势。 2 2 2 碳势测量方法 测景碳势的传感器一般有热丝电日【、露点仪、红外线分析仪和氧探头等。除热丝电阻法是直接测 量方法外，其它均为间接测量方法。奉系统即采用的氧探头测氧势的方法，采用氧探头作为间接测量 碳势的传感器，通过测量炉气中的氧势( 氧_ 势是指在一定温度下，金属的氧化和氧化物的分解处于平 衡状态时，气氛中氧的分压或氧化物帕分解压。) 进而获得炉气碳势。下面简单介绍其工作原理。 检测氧势的传感器一般称为“氧探头”，是- 一种氧浓差电池，其原理如图2 2 所示8 ”。氧化锆( z 帕2 ) 是一种金属氧化物的陶瓷，在高温下具有传导氧离 子的特性。在z r 0 2 中加入一定量的氧化钙( c a o ) 和氧化钇( y 2 0 3 ) ，可使其内部产生氧离子空穴， 当温度为8 0 0 以上时，空穴型的氧化锆就成为良 好的氧离子导体，从而可以构成氧浓差电池。在氧 化锆管( 电解质) 封闭端内外两侧涂多孔铂作电极。 在一定温度下，当氧化锆管两侧的氧浓度不同 时，高浓度侧的氧分子即夺取铂电极上的自由电子， 以离子的形式通过“氧空穴”到达低浓度侧，经铂 电极释放出多余电子，从而形成氧离子流，在氧化 锆管侧产生氧浓度差电势。在两极上的反应为： 阴极：o ，+ 4 e 一呻2 0 2 。 图2 2 氧浓差电池构造原理图 1 氧化铝保护管：2 氧化锆( z r 0 2 ) 电解质 3 标准电极；4 检测电极；5 铂导线 阳极：2 0 z 。4 e o 在两极间产生的浓差电势e ，其大小可由能斯特( n e r n s t ) 公式确定 e = 等n 器 式中 卜氧浓度差电势( v ) ； r 气体常数，其值为8 3 1 4 j ( m 0 1 k ) ； 卜绝对温度( 氧化锆氧浓差电池的实际工作温度) ； p 一法拉第常数，其值为9 6 5 0 0 j ，( v m 0 1 ) ； ( 2 1 1 ) 第二章渗碳系统的构成与控制 ，广_ 参加反应的电子数月= 4 ( 反应时一个氧分子输送的电子数) ； 尸b 2 ( i ) 参比气体的氧分压，采用空气时为0 2 1 1 0 p a ； j ，0 2 ( ) 炉气的氧分压。 将各常数带入式2 1 1 并换成常用对数的形式，则有 e = 4 9 6 。1 0 。r l g ! ：! ! 兰! ! ： 。晶( i i ) 即 晶，( i i ) ：旦笔堕 ( 2 1 2 ) 1 0 4 l o 一5 7 由上式可知，在温度r 被控制在某一定值时，根据测得的电动势e ，即可求得被测气体中的氧分压p 0 2 ( i i ) ，进而可以得到炉气碳势。 2 3 碳势控制系统的构成 井式渗碳炉碳势控制系统如图2 3 所示。该控制系统的核心为碳势控制仪表，该仪表主要由前向 通道、后向通道、单 机系统、人机接口剃通讯接口组成。 图2 3 井式渗碳炉碳势控制系统框图 一、测量采集通道 采用氧探头作为氧势传感器，k 型热电偶作为温度传感器，采集一路氧电势信号、三路热电势信 号，经r c 滤波电路后送入单片机处理。 温度信号：k 型热电偶( o 1 3 0 0 ) ： 氧势信号：0 m v 1 2 0 0 m v 。 二、控制输出通道 富化剂输出：脉冲输出( 电磁阀控制，由固态继电器驱动) ； 温度控制输出：脉冲输出( 固态继电器控制) ； 载体剂输出：开关量( 电磁继电器输出控制信号；温度低于7 5 0 ，载剂关闭) ； 氧探头维护信号输出：开关量( 电磁继电器输出控制信号) 。 三、单片机系统 与外围电路配合，实现信号处理、数据运算、数据存储等功能，是仪表的核心部分。 7 东南大学硕士学位论文 四、人机接口 通过键盘、显示器( l e d 与l c d ) 完成数据的设定与显示。在该部分，设计了基于c p l d 的键 盘、显示通用接口电路。该接口电路结构简单，减少了对单片机有限资源的占用，且具有良好的可扩 展性与通用性。 同时提供一路报警输出继电器开头量，当出现碳势、温度超限时，发出异常报警。 五、通讯接口 仪表具有r s 4 8 5 通讯接口，可以与上位机进行1 ：1 的通讯，也可构建如图2 - 4 所示的计算机集散 控制系统，实现多台渗碳炉渗碳过程的集中监控与管理。 图2 4 渗碳炉计算机集散控制系统结构图 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 在对控制对象、测量及控制方案、成本及扩展性进行分析的基础上，设计了以m c s 5 1 系列单片 机为核心的碳势测控系统，硬件结构框图如图3 1 所示。本章将对系统各个模块的硬件设计做进一步 的介绍。 3 1 信号测量通道设计 图3 1 系统硬件结构框图 作为测控系统，对被测对象或被控对象拾取必要的原始参量信号，并转换成能被计算机处理的数 字信巴是系统的重要环节。该部分的精度直接影响整个系统的控制精度，因此是整个碳势控制系统的 关键。 3 1 1 信号调理放大模块设计。 氧探头采集到的氧势信号变化范围为0 m v 1 2 0 0 m v ，对应的碳势信号变化范围为o 2 1 3 0 。 选州k 型热电偶作为温度传感器【l “，在渗碳工艺温度范围0 1 0 0 0 内，其输出热电势信号 0 m v l 4 1 m v 。考虑到工艺的多样性与系统的通用性，将温度测量范围扩展到o 1 3 0 0 ( 对应热电 势信号0 m v 5 2 m v ) 。为消除现场环境造成的影响传感器信号先经过滤波处理，以去处高频干扰信 号。然后剥滤波后的氧势信号和热电势信号分别经不同倍数的放大模块进行小信号放大，送入后续a 仍 转换芯片进行处理。该部分电路如图3 - 2 所示。 图3 2 信号调理放大模块 9 东南大学硕士学位论文 3 1 2 输入信号参考电压 为了提高系统的测量精度，系统具有软件自校正功能。为实现此功能，分别引入了氧势信号参考 电压与热电势信号参考电压。 热电势参考电压为5 3 m v ，一股的电压芯片无法提供如此小的参考电压值。所以需要通过设计电 路得到该参考电压。在本系统中，采用精密电阻多级分压的方式，由基准电源m c l 4 0 3 输出的25 v 电压分别得到所需的热电势信号与氧势信号的参考电压，如图3 - 3 所示。 图3 3 信号参考电压电路 m c l 4 0 3 是美国m o t c l r o l a 公司首先推出的高精度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。 输入电压范围大( 4 5 v 4 0 v ) 输出电压稳定( 2 5 v 2 5 m v ) 。 在每级分压前接入电压跟随器，提高了电路驱动能力，增强了电路稳定陛。用此方法可得到较 为稳定的参考电压值。 3 1 - 3 a d 转换模块 一、逐次逼近型a m 转换器工作原理“ a 仍转换器有以下类型：逐次逼近型、积分型、计数型、并行比较型、电压一频率型及一型 等，其中常用的为双积分型和逐次比较型。考虑到转换速度、精度等因素，本系统最终选择了逐次逼 近型a d 转换器。 。 逐次逼近型( 也称逐位比较型) 的口转换器，应用比较广泛，其原理框图如图3 4 所示。它主 要由逐次逼近寄存器( s a r ) 、数字电压转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成。 逐次逼近式a 仍转换是逐次把设定在s a r 中的数字量所对应的d ，a 转换网络输出的电压，与要 被转换的模拟电压进行e b 较，比较时从s a r 中的最高位开始，逐位确定各数码位是“1 ”还是“0 ”。 其工作过程如下： 当计算机发出“转换命令”并清除s a r 寄存器后，控制电路先设定s a r 中的最高位为“l ”，其 余位为“0 ”，此预测数据被送至d a 转换器，转换成电压圪，然后将吒与输入模拟电压攻在高增益 的输出为逻辑0 或逻辑l 的比较器中进行比较。如果攻以，说明此位置“l ”是对的，应予保留； 如果攻 k ，说明此位置“l ”不合适，应予清除。然后按照上述方法继续对次高位进行转换、比较和 判断，决定次高位应取“1 ”还是取“0 ”。重复上述过程，直至确定s a r 最低位位置。这个过程完成 1 0 第三章系统硬件设计 后，状态线就改变状态，表示己完成一次完整的转换。最后，s a r 中的内容就是与输入的模拟电压对 应的二进制数字代码。 图3 _ 4 逐次逼近式a ，d 转换原理幽 逐次逼近式d 转换器的优点是精度较高，转换速度较快，而且转换时间都是固定的，凶而特别 适合于计算机数据采集系统和控制系统的模拟量输入通道。它的缺点是抗干扰能力不够强，而且当信 号变化率较高时，会产生较火的线性误差。这是因为转换加权过程中，信号的变化使得转换结果只能 是信号初始值和结束值之间的某个不确定的值，如果采用采样一保持器，则可以使情况得到很丈的改 善。 二、a m 转换芯片m a p 3 2 0 4 系统选用的a d 转换芯片是m i c r o c h i p 公司推出的带有采样保持电路的逐次逼近型1 2 位a ，d 转 换器m c p 3 2 0 4 。 m c p 3 2 0 4 可以编程配置为2 对伪差分输入通道或者4 路单端输入通道；转换速率可达l o o k s p s ； 芯片采用宽电压( 2 7 5 5 v ) 、低静态电流( 5 0 0 n a ) 设计，工作电流仅为3 2 0 u a ：与器件的通信可以 采用与s p i ( s e r i a l p e 渤h e r a l i n t e r f a c e ) 协议兼容的简易串行接口进行。 1 、芯片引脚功能 m c p 3 2 0 4 采用p d p s o i c ，t s s o p 多种封装，其1 4 脚p d 口 c h o 封装如图3 5 所示( 引脚功能见表3 1 ) 。 表3 1m c p 3 2 0 4 引脚功能 名称功能 v d d+ 2 7 v + 5 5 v 供电电源 d g n d数字接地 a g n d 模拟接地 c h o c h 3模拟输入 c l k串行时钟 d 矾 串行数据输入 d o u t串行数据输出 c s s h d n片选，关断输入 v r e f 基准电压输入 c h l c h 2 c h 3 n c n c d g n d 图3 5 m c p 3 2 0 4 引脚 东南大学硕士学位论文 2 、器件配置 m c p 3 2 0 4 采用常规s a r 结构。在这种结构中，在接收到开始位之后串行时钟的第4 个上升 沿开始，在采样保持电容器上采集样值，持续1 5 个时钟周期。在此次采样时间之后，器件利用在内 部采样，保持电容器中收集到的电荷来产生一个1 2 位的串行数字输出代码。对通道的配置作为串行命 令的一部分，在每轮转换开始之前进行送入m c p 3 2 0 4 ( 表3 2 给出了m c p 3 2 0 4 的配置位) 。本系统中， 将m c p 3 2 0 4 配置成单端输入工作方式。 表3 2m c p 3 2 0 4 配置位 控制位选择 输入配置通道选择 单端，差分 d 2 0d 1d o lx00 单端 c h 0 1x01 单端 c h l lxlo 即端 c h 2 lxl 1 单端 c h 3 c h 0 = n + 0x00差分 c h l = i n c h 0 = i n 0x01 差分 c h l = i n + c h 2 = n + 0x1o 差分 c h 3 = i n c h 2 = i n 0x11差分 c h 3 = i n + 。在m c p 3 2 0 4 中，d 2 可以配置成任意值 3 、器件通信时序 与m c p 3 2 0 4 的通信可以利用标准的s p i 兼容串行接口来实现。通过将c s 线拉低可以启动与器件 的通信( 见图3 6 ) 。数据总是存时钊，的下降沿从器件输山。 厂 。1r 一o 一广 几几几几几几nnr n 几r 广 r r r r 厂 厂 几几几l - a “潞l 。2 、型罔圈回雹回回回回回回回回旦 t 咐l | | | | | | | | 第三章系统硬件设计 输出转换结果，如图3 7 所示。如果在l s b 先行数据发送以后，石i 仍为低时还有时钟输入器件，器 件则会无限制地按时钟输出零。 c s c l k 0 “ d _ 目厂 + lr k i n 。，一 ir 兀r 几几广几兀n 几门几几兀几几几一f n 几丌r 兀几几几几几几l li i o t l 0 1 l o iu 群。f c m s 8 l 图3 7 以l s b 先行格式与m c p 3 2 0 4 通信时序 l 在传输完数据以后，如果时钟继续_ 自效h c s 为低则a 巾转换器将无限制地输出零。 2t d t ：在此期间，偏置电流与比较器扑电而基准输入变为高阻抗结点，则c l k 信号继续输出l s b 先行 数据或者霉。 4 、最小时钟速率 m c p 3 2 0 4 带有内部采样保持器，当采样周期启动时，电荷存储在采样电容中。当采样周期完成后， 每个时钟周期转换1 位。用户须注意低时钟速率会凼转换过程中采样电容放电而造成转换误差。在8 5 时( 最差情况) ，器件在采样周期结束后至少1 2 m s 内将在采样电容器中保持适量电荷。这就意味 着从采样周期结束到1 2 位数据位全部输出的时间1 i 能超过1 2 m s ( 有效时钟频率为l o k h z ) 。如不能 达到此要求，可能会对超出规定的转换引起线性误差。应注意，在整个转换周期内，只要符合所有的 时序规定，a 皿转换器不需要恒定的时钟速率或占空比。 三、刖d 转换参考电压 系统选用m i c r o c h i p 公司生产的基准电压芯片m c p l 5 4 l 向m c p 3 2 0 4 提供4 0 9 6 v 的参考电压。 m c p l 5 4 l 输入电压范围为4 t 3 v 5 5 v ，由于采用了先进的c m 0 s 电路设计和e p r o m 微调技术，可 以达到士1 ( 最大) 的初始精度，最大温漂5 0 p p 耐。 四、a 仍转换模块工作电压 为提高a ，d 转换的精度，系统巾使用m a x i m 公司的低压差线性稳压芯片m a x 6 6 7 向m c p 3 2 0 4 与m c p l 5 4 1 提供稳定的+ 5 v 工作电压。m a x 6 6 7 输出电流可达2 5 0 m a 无负载时的典型静态电流为 2 0 衅，关断模式下的典型静态电流只有0 2 u a 。在输出电流为2 0 0 m a 时，其输入输出压差典型值为 1 5 0 m v ，最大压差为3 5 0 1 1 1 v 。m a x 6 6 7 有固定+ 5 v 输出和可调节输出 两种工作模式，输出电压可关断，输入电压范围为3 5 v 1 6 5 v 。 m a x 6 6 7 还具有欠压检测和电池电压不足的检测功能，可广泛应用于 电池供电的便携式仪器仪表。 1 、引脚功能 m a x 6 6 7 封装引脚定义如图3 - 8 所示。 ( 1 ) d d ：供电电压不足警告输出脚。 ( 2 ) o u t ：电压输出脚。 ( 3 ) l b i ：电池电压不足检测输入脚。 1 3 m 山 廿q d 1 h l 鞭 譬i 删 d l p 恁。 图3 8 m a x 6 6 7 引脚 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 国d ：电源地。 ( 5 ) s h d n ：输出电压关断控制脚。 ( 6 ) s e t ：输出电压设置脚。 ( 7 ) l b o ：电池电压不足检测输出脚。 ( 8 ) i n ：电源输入脚，输入电压范围为：35 v 1 6 5 v 。 2 、工作模式 在本系统中，m a x 6 6 7 工作在固定+ 5 v 输出模式下，如图3 9 所示。 3 1 4 热电偶冷端补偿 u 8v c c g n d 图3 9m a x 6 6 7 典型工作电路 0 l u 热电俏在使用时一般都需要对冷端进行补偿尤其在高温度，高精度测量系统中更为重要。补偿 的方法是多种多样的，常用的有冷端恒温、电桥补偿等。但这些方法使用不便，尤其是前者，一般仅 限于科学实验中应用。本系统采用智能温度传感器d s l 8 8 2 0 测得环境温度，然后在软件中通过计算进 行软件补偿。利用d s l 8 8 2 0 ，可以直接读取环境温度值，简化了软件程序的设计，而且精度较高。 一、d s l 8 8 2 0 温度传感器特性【1 q d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司推出的一种“单总线”温度传感器，它采用独特的单线接 口方式，仅需要一个端口引脚来发送或接收信息，用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得 无需外部电源。每个d s l 8 8 2 0 都有一个唯一一的r o m 序列号，所以可以将多个d s l 8 8 2 0 同时连在一 根单总线上，进行简单的多点分布应用，包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系 统。d s l 8 8 2 0 测温范围为5 5 + 1 2 5 ，在1 0 + 8 5 内的测温精度可达0 5 。用户可在9 位 1 2 位中自选测温分辨率。用户可自设定温度报警上下限，报瞀查找命令能够识别并自动定位温度越限 的传感器。d s l 8 8 2 0 系列采用了三种不同的封装方式，以适台不同的场合使用，如图3 1 0 所示。各 引脚功能如下： a n d ：地 d o ：数据输入输出引脚 v j d ：外部供电电源引脚 n c ：空脚 2g 岁 v ( b o n o m v 鳓d o t o - 9 2 p s l 8 8 2 0 ) 霾疆熏墓 8 啦l1 5 0 血ls o ( d s l 8 8 2 0 u ) ( d s l 8 8 2 嘲 图3 1 0d s l 8 8 2 0 封装形式 1 4 第三章系统硬件设计 d s l 8 8 2 0 内部结构如图3 1 1 所示，有三个主要数字部件：“位r o m ，温度传感器，非易失性温 度报警触发器t h 和t l 。6 4 位r o m 中存储d s l 8 8 2 0 的全球唯一的序列码。暂存器中有2 字节的温度 寄存器以存储温度传感器的数字量输出。此外，暂存器提供了访问单字节的高低温限触发寄存器( t w 、 t l ) 以及1 字节配置寄存器的途径。用户通过自己设定配置寄存器，可以将d s l 8 8 2 0 的分辨率设为 9 ，1 0 ，1 1 或1 2 位。 v p u 4 i 叫 存储控制器 。s ，s b z 。 寄生电源电路 q + ! 一温度传感器 内部6 4 位 di v d dr ( ) m 和 叫高温报i 嚣觏r 器 寺 扣 r 单总线 接l1 叫低温报罄嚣勰r 器 暂缸器 j 供电方。 + 剖酣置寄存器( e e p r o m ) ) d 。 l 式检测 刊8 位c r c 产生器 图3 1 1d s l 8 8 2 0 内部结构 d s l 8 8 2 0 的电源工作方式有两种：一种是寄生电源方式，一种是外部供电方式。当d s l 8 8 2 0 工 作在寄生电源方式下时，将从单总线上汲取能量，在信号处予商i n 平期间把能量存储在内部电容里， 在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能1 作，直到高电平到来再给寄生电源( 电容) 充电。d s l 8 8 2 0 也可以用外部3 v 5 5 v 电源供电。本系统中采j = ! | 了外部电源供电的方式，如图3 1 2 所示。 v c c r 上_ _ g n d 审 g n dd s l 8 2 0 v c c 图3 1 2d s l 8 8 2 0 外部供电方式 二、d s l 8 8 2 0 温度传感器工作原理 d s l 8 8 2 0 温度传感器的主要功能是可直接输出数字信号，测温分辨率可由用户从9 ，1 0 ，1 1 和1 2 中自由配置，对应的测温精度分别为0 5 0 2 5 ，0 1 2 5 和o ，0 6 2 5 。上电缺省值为1 2 位。d s l 8 8 2 0 温度传感器上电时为低功耗空闲状态，主机必须发出一个转换命令( 4 4 h ) 来开始测温和a 国转换，转换 后，结果存在2 字节的临时存储器内，然后d s l 8 8 2 0 回到空闲状态。d s l 8 8 2 0 输出的温度数据以摄氏 度表示。温度数据存储在温度寄存器中，格式见图3 - 1 3 ，标志位表明温度的正负，若为正温度则s = o ， 若为负温度则s = l 。 梳7b i c 6h 5k 4硫3h 2梳l摘0 l s 驰 互1 二二 三 二 工! 二 互工二二臣 h 1 5陆1 4b i 1 ，梳1 2 梳l l 址l o址9掘8 潲琊恤 工三 二二 ! 工二 二 工z 二 图3 1 3d s l 8 8 2 0 温度寄存器格式 东南大学硕士学位论文 当选择1 2 位分辨率时，温度寄存器的所有位都是有效的；当选1 l 位分辨率时，0 位未定义：当 选1 0 位分辨率时，o 位和l 位未定义：当选9 位分辨率时，0 位、1 位和2 位未定义。表3 3 给出了分 辨率为1 2 位时的温度和数字输出之间的转换关系。 表3 3 温度数字转换关系 温度数字输出( 二进制)数字输出( 十六进制) + 1 2 5 0 0 0 00 1 1 1 1 1 0 10 0 0 00 7 d 0 h + 8 5 0 0 0 00 1 0 10 1 0 10 0 0 0 0 5 5