PC机和单片机实现渗碳过程集散控制系统.doc

摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本次设计是通过利用PC机(上位机)和单片机(下位机)实现渗碳过程控制系统,上位机与下位机间以串行通信相联系的,实时精确控制加热设备和炉温、碳势、渗碳时间等参数. 本次设计上位机选用IBM-286(RS-232-C)系统,下位机则是选用MCS-51系列单片机(8031). 渗碳就是把工件放在电加热高温炉内的一种运动过程.本设计有硬件和软件两种设计,硬件设计就是集散式计算机控制系统,由一台上位机和四台吓为机组成,下位机完成数据采集,处理,输出控制信号,参数设定与修改,显示,声光报警及与上位机通信联系等功能;上位机则需将下位机所有信息进行综合处理,完成屏幕显示,设定与修改下位机工艺参数,计算机层深,存贮数据,打印报表及报警功能;软件设计是由上位机程序模块,下位机程序模块和通信程序模块组成.上位机程序模块主程序进入系统功能选择菜单时,用户可根据屏幕的汉字提示选择相应的子程序模块.下位机程序模块应实现对炉温,氧电势的检测和显示,并根据工艺要求对炉温和碳势进行位势控制,根据各类中断请求执行上位机通信要求的操作,或进行超限报警以及传感器故障,通信失败等报警.通信程序模块在系统中起着至关重要的作用,是联系上,下位机的纽带.从而可以进一步证实上位机与下位机间以串行通信相联系. 我国的单片机年容量已达 13 亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地.关键词：PC机 单片机 串行通信 目录第 一 章 引言4第 二 章正文5 2.1 MCS-51系列单片机原理及应用52.1.1 渗碳工艺62.1.2 计算机控制系统硬件7 2.1.3 系统软件设计9 2.1.4 故障及误差分析19第 三 章 结语21参考文献22第 一 章 引言随着计算机技术特别是单片机技术的发展，在各种单片机应用系统的设计中，如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等，常常遇到计算机与外界的信息交换，即通讯。串行通信是指按照逐位顺序传递数据的通信方式，由于仅需三根传输线传送信息且通信距离相对较远，所以在控制领域的现场监测、分布控制等场合有着重要的应用价值。鉴于PC机具有强大的监控和管理功能，单片机则具有快速以及容易控制的特点，在数据量不大、传输要求不高的情况下，一般都采用给PC机配置的RS-232标准串行接口COM1、COM2等相连接来实现应用系统与PC机之间的数据交换。本文论述了如何实现PC机与单片机机之间实现串行通讯所需条件，PC机通讯程序利用RS-232串行通讯控件来完成，单片机的程序用汇编语言来写。集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型技术。在现代化工业过程控制系统中，集散控制系统已成为过程自动化系统发展的主流。然而，在工业控制领域，控制系统除了要求具有极高的可靠性外，还必须具有较强的实时响应能力和友好的人机交互界面第二章 正文2.1MCS-51系列单片机原理及应 MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。图2-9为引脚排列图， 40条引脚说明如下：1、主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/，和/Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接 图2-9 8051引脚排列图上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。 /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。2.1.1 渗碳工艺渗碳就是把工件（代加工的另件）放在电加热高温炉内，高温炉内的气体中的碳有一定的浓度（所谓碳势），工件在具有这样气氛的高温炉内经过一定时间，会使碳原子通过工件表面渗到表面内部一定的深度（渗层深度），从而提高工件的性能和使用寿命。下面介绍对渗碳过程进行控制的集散式计算机直接数字控制系统。上位机与下位机间以串行通信相联系。1.渗碳工艺与过程渗碳是一个复杂的化学热处理过程。经长期的生产实践和科学实验，人们发现渗碳件的各项性能指标与渗层的浓度分布及组织结构有密切的关系，合理地确定零件的最佳碳浓度分布与渗层浓度，就可大幅度地提高渗碳件的性能与寿命。工艺过程的优势直接影响到产品的质量，采用微机实时、精确地控制加热设备和温度、碳势、渗碳时间等主要参数，便可达到对工艺过程的良好控制。 渗碳工艺过程分为若干阶段，以井式渗碳炉问例，如图所示，其工艺过程主要分为预热期、强渗期、和扩散期。气体渗碳一般采用有机液体如甲醇作载气体，采用煤油或丙酮作富化剂，组成滴注式气氛系统。预热期为升温和建立碳势阶段。工件入炉后，炉温升到800摄适度是开始滴甲醇，900摄适度时开始滴煤油；强渗期即渗碳期，系统进入控制调节阶段，炉温控制在930摄适度左右，气氛碳势Cg控制在1.151.25之间；扩散阶段开始少滴或停滴煤油，气氛碳势Cg下降到0.9C，碳层达到一定深度时自动转入降温阶段。 实际渗碳气氛中所包含的组分有：CO，CO2，CH4，H，H2O，O2，N2等。在吸热式气氛中，当温度高于800摄适度时，系统各组分含量随温度的变化不明显，H2和CO的组分基本上保持恒定。炉温较高时（573摄适度），各组分之间的可逆反映很复杂，难以一一研究和控制。对碳势影响最重要的是2CO CO2+C反应平衡条件，并与氧的分压有关。只要CO的组分恒定，即可利用O2分压来控制气氛碳势；而O2分压可用氧化锆探头来测定。 气氛态势的表示，根据大量的实验与数据分析，得到下述经验公式： Cg1.340310(E/0.144T)-5示中Cg为气氛中的碳势；E为氧化锆探头输出毫伏数；T为绝对温度。2.渗碳模型与控制参数 渗碳过程即碳势控制的过程，起最终目的是控制渗碳件的质量，碳势控制是间接的，因为气氛碳势并不等于工件表面的碳势。工件表面的碳势随时间的变化又影响着渗层深度。可见，整个碳势控制过程是多少个间接控制的组合。首先是传感器输出与气氛碳势Cg的关系，其次是气氛碳势Cg与工件表面碳势Cs的传递关系，最后是表面碳势Cs随时间的变化与层深之间的扩散关系，最后是表面碳势Cs随时间的变化与层深之间的扩散关系。所谓过程模型就是这三种关系的组合。 传感器的输出E与气氛碳势Cg的关系如式所示。气氛碳势与工件表面碳势Cs之间的关系可以用下式表示。 J=式中： 为碳流量，kg/m2s; 为传递函数，kg/(m2s碳势)； 为气氛碳势； 为工件表面碳势（渗碳浓度）。渗碳过程中的控制参数有以下四个： 1）炉温 采用增量式PID模型来控制炉温，计算公式为： = 2）气氛碳势 通过控制富化剂的滴量来控制Cg。 3）渗层深度 Harmjs方程给出了计算渗层深度的数学模型为 =式中： 为渗碳时间，单位为小时； 为绝对温度，单位为K。 总上所述可知，测得 和 ，便可由式求得Cg；已知 和Cg，便可由式求得Cs，已知t和T，便可由式求得X。 3）渗层深度 Harmjs方程给出了计算渗层深度的数学模型为 X =802.6t/10(3720/T)(mm)式中：t 为渗碳时间，单位为小时；T 为绝对温度，单位为K。 总上所述可知，测得 E和 T，便可由式求得Cg；已知 J和Cg，便可由式求得Cs，已知t和T，便可由式求得X。2.1.2 计算机控制硬件根据气体渗碳工艺要求，应该对炉温、碳势、渗碳时间、机械运作等进行实时控制。本系统是集散式计算机控制系统，由一台上位机和四台下位机组成。下位机完成数据采集、处理、输出控制信号，参数设定与修改，显示，声光报警及与上位机通信联络等功能；上位机则需将下位机所有信息进行综合处理，完成屏幕显示，设定与修改下位机工艺参数，计算层深，存储数据，打印报表及报警功能。上位机与下位机见通过串行通信口联系起来如图2.1.1所示 上位机选用IBM-286系统，除主机外，包括彩色显示器、80列打印机和标准键盘外部设备。 2.1.2 下位机硬件结构框图上位机键盘串行口监视器器1# 下位机系统4# 下位机系统打印机键盘8255外存储器8031A/D开关量输出放大与调理声光报警功率放大大功率SCR电磁阀LED显示2.1.1 集散计算机控制系统上、下位机间的多机通信串行接口电路如图所示，是采用专用芯片MC1488和MC1489来实现RS232电平转换的。因为IBM-PC和MCS-51都有一个全双工同步/异步串行接口USART，其中IBM-PC机是由8250异步通信组件来实现的，而8031单片机则是通过将其串行口控制寄存器设置为方式2或3来实现多机通信的。两者之间需要有配对功能。运行中，上位机先发出一个地址及其特征位，随后再发一系列数据，各下位机收到此地址信号后，判断该地址是否与自身的地址编号相同，不同者不予理睬，相同者被激活，接受主机发来的一系列数据。下位机硬件结构如图2.1.2所示。每台下位机都有四个模拟输出量，经放大与调理电路后变换成0V5V的A/D标准输入信号，A/D转换后的信号经下位机运算、判断、处理后送出开关量信号来实现闭环控制。其中，氧化锆传感器送出的电势信号的调理电路选用直流毫伏变送器DZH-3000A；温度变送器为DBW-1130。系统选用8255作为一个扩展口来进行六位LED七段显示器和小键盘的控制。六位LED中的四位用来显示数据，两位用来显示数据类别。共有七个按键，其六个接至8255，一个为下位机的复位按键。利用按键提供参数设定与修改，更换显示内容及启动运行等。2.1.3 系统软件设计整个系统软件由上位机程序模块、下位机程序模块和通信程序模块组成。 1.上位机程序模块 上位机主程序流程如图所示。主程序进入系统功能选择采单时，用户可根据屏幕的汉字提示选择相应的子程序模块。上位机子程序模块有： *显示模块：包括渗碳工艺过程示意图、主要参数实时显示棒条图等。显示模块是上位机的主要功能模块，在在它给出的实时数据显示、工艺过程曲线、实时碳势和层深的棒条图显示以及报警画面等以实时数据显示为显示主画面。 *工艺参数设定修改模块：包括炉温曲线、碳势曲线、层深、渗碳时间等，也包括日期、时间、标度比列尺等的设定与修改。 *数据存取模块：包括数据采集、处理、建立数据文件等。 *打印模块以及通信模块等。 上位机的各种功能均以汉字菜单形式绘出 ，且用户可用汉字方式输入。上位机的全部程序是在TURBO BASIC环境下编制的，程序简单，易于完成复杂的运算，并可 被较多的使用者熟悉。2.下位机程序开始下位机应实现对炉温、氧电势的检测和显示，并根据工艺要求对炉温和碳势进行位式控制，根据各类中断请求执行上位机通信要求的操作，或进行超限报警以及传感器故障、通信失败等报警。故下位机软件包括主程序和中断管理子程序。 炉号选择渗件选择工艺参数设定向下位机传送工艺参数功能选择进入功能模块子程序2.1.3 上位机主程序框图开始系统初使化调滤波子程序工件装炉开始渗碳是否要输入新的设定值参数设定运行键闭合否启动A/DNNN有中断请求否？调显示子程序判温度采样转中断管理子程序超限处理，报警进行PID运算，输出开关量判氧电势采样超限处理，报警进行PID运算，输出开关量数据处理与运算2.1.4 下位机主程序流程图下位机主程序流程图所示。其中，系统的初始化包括初始化各种表、栈、工作单元，相关各特殊功能排队，排除最大最小植然后求平均值，并对于采样值中超过上下限的参数值进行多次采样花圃再予承认。由于变送器输出中含有50HZ交流分量，采用等时多次反复采样再求平均值的方法，利用交流信号的周期性和对称性，在一个周期内等间隔采样偶数次再求其平均值，以获得更好得滤波效果。PID计算采用完全微分增量型，将采样值先换算为物理量，并把连接的PID增量转换成时间增量，得出下一个系统周期的通电时间，实现地电磁阀和可控硅通电时间的控制。运算全部采用双精度浮点运算，计算精度完全满足系统的要求。显示子程序可完成渗碳炉上、中、下区温度的显示，氧电势的显示，设定值的显示，以及实时的日期、时间显示等。中断管理子程序里的中断信号有以下几种：上位机要求通信中断请求，超限报警，传感器故障，通信失败等。3.通信程序模块通信程序在系统中起着至关重要的作用。是联系上，下位机的纽带。通信协议框图如图15.3.7所示。根据通信协议的约定，分别讨论上，下位机通信软件的设计。1）上位机通信程序上位机IBM-286为系统提供一个标准的RS-232-C串行接口，数据传输速率可在50bps至9600bps之间选择，可传送5位，6位，7位或8位的字符，可选用1个，1个半或2个停止位，可直接连接调解器(MODEM)实现远程通信，能产生或检测“线路暂停”信号，有自行排优的中断控制，具有一定的诊断能力。上述功能是通过异步通信控制器芯片8250来完成的。8250有很灵活的程序设计能力来适应不同的应用场合。CPU可以通过输入输出指令送出控制字节和数据字节，或者取得控制器的状态字节和收到数据字节。系统分配给异步通信控制器的输入输出端口地址为3F8-3FEH，它们都与8250芯片中的相关寄存器相对应，主要有： *数据发送保持寄存器和数据接收缓冲器，这两个寄存器分别用来保存（然后串行移位后发出）和接收正在串行接口上通信的数据字节。它们的端口地址是3F8H，CPU分别使用输入和输出指令来进行操作。 *中断允许寄存器：8250芯片本身可以处理以下四种类型的中断，并按优先次序排列为：接收线路出错，接收数据就绪，发送保持寄存器已空和MODEM中断。 *中断识别寄存器，由于8250芯片仅能向外输出一个总的中断请求信号，必须用中断识别寄存器的状态来具体识别引起中断的原因。 *MODEM控制寄存器和MODEM状态寄存器:MODEM控制寄存器和MODEM状态寄存器分别详见 *通信线控制寄存器和通信线状态寄存器：是用来控制通信线路数据通信格式的。 通信线状态寄存器的端口地址为“3FDH”，CPU可以用输入指令取得该寄存器的内容，然后通过分析，就可以了解通信控制器的工作状态。在本系统中，就是利用对8250通信控制寄存器的初始化来与8031单片机相配对。根据MCS-51从机的多相通信特点，只要正确控制主机所发送的第9位数据，便能实现多机通信。在主机的通信线控制寄存器中，第3位为奇偶控制位。该位为“1”时，允许奇偶校验，否则不允许。第4位为奇偶校验选择位，该位为“0”时是奇校验，否则为偶校验。第5位是奇偶保留控制位，该位为“0”时，奇偶校验由前两位决定；为“1”时，如果位3为“1”，位4为“1”，那么奇偶位将作为逻辑“0”发送；而位3为“1”，位4为“0”，则奇偶位将作为“1”处理。由于奇偶校验位紧跟在数据位之后，故当数据位选择为8位时，则奇偶校验位刚好是第9位，由此，有效地组合该寄存器中的第3，4，5位就能控制主机所发送的第9位数据，达到与MCS-51串行口中TB8同样的效果从而实现与多台MCS-51的多机通信。 主机通信程序的流程图如图2.1.3所示。每次通信时，上位机首先给出下位机地址信号，然后再送出是要下位机发送还是接收数据的命令信息，之后传送数据。数据传送完毕，上，下位机都对所传数据进行检查，出错时联络重发。3.通信程序模块通信程序在系统中起着至关重要的作用。是联系上，下位机的纽带。通信协议框图如图2.1.5所示。根据通信协议的约定，分别讨论上，下位机通信软件的设计。 1）上位机通信程序上位机IBM-286为系统提供一个标准的RS-232-C串行接口，数据传输速率可在50bps至9600bps之间选择，可传送5位，6位，7位或8位的字符，可选用1个，1个半或2个停止位，可直接连接调解器(MODEM)实现远程通信，能产生或检测“线路暂停”信号，有自行排优的中断控制，具有一定的诊断能力。上述功能是通过异步通信控制器芯片8250来完成的。8250有很灵活的程序设计能力来适应不同的应用场合。CPU可以通过输入输出指令送出控制字节和数据字节，或者取得控制器的状态字节和收到数据字节。系统分配给异步通信控制器的输入输出端口地址为3F8-3FEH，它们都与8250芯片中的相关寄存器相对应，主要有： *数据发送保持寄存器和数据接收缓冲器，这两个寄存器分别用来保存（然后串行移位后发出）和接收正在串行接口上通信的数据字节。它们的端口地址是3F8H，CPU分别使用输入和输出