退火炉温度控制系统概要

课课 程程 设设 计计 设计题目：设计题目： 退火炉温度控制系统退火炉温度控制系统 学学 院：院： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导老师：指导老师： 日期：日期： - 1 - 摘摘 要要 退火炉是金属热处理中的重要设备，它把压力容器加热到一定 温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。其目的在于消除压力容 器的整体压力。提高压力容器的使用寿命。温度是退火炉的主要被 控变量，是保证其产品质量的一个重要因素。退火炉温度控制的稳 定性和控制精度直接影响产品的质量。 本文以 AT89C51 单片机为控制核心，采用模块化的设计方案， 包括硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括温度检测模块，按 键模块，执行模块，LED 显示模块，单片机最小系统。本设计要求 采用电热丝加热，通过 A/D 转换将采集到的温度数据输入单片机中， 与系统给定值比较，从而对退火炉的温度进行控制，通过按键输入 控制信号，三位 LED 显示炉温。最后设计出最少拍无纹波控制器， 通过 MATLAB 仿真检验是否有纹波。 - 2 - 目 录 第 1 章 绪论.3 1.1 设计背景 .3 1.2 设计算法 .3 第 2 章 课程设计的方案.5 2.1 概述 .5 2.2 系统组成总体结构 .5 第 3 章 硬件设计.7 3.1 单片机最小系统设计 .7 3.1.1 单片机选择 .7 3.1.2 时钟电路设计 .8 3.1.3 复位电路设计 .9 3.2 温度检测部分 .10 3.3 按键控制电路 .12 3.4 LED 显示模块 .13 3.5 温度控制电路 .14 第 4 章 软件算法.16 4.1 程序框图 .16 4.2 算法设计 .17 第 5 章 系统仿真.20 第 6 章 课程设计总结.21 - 3 - 第 1 章 绪论 1.1 设计背景 退火炉是冶金和机械行业常用的热处理工业设备。一般说来，退货处理工 艺师冶金和机械产品的最后处理工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。 因此，对退火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保 温及降温操作，同时保证颅内各处的温度均匀。在目前实际生产中，退火炉的 种类很多，按燃料分有燃油炉、燃气炉、电炉等。电炉按台数计算占 80%，燃 油炉和燃气炉占 20%。 退火是金属热处理中的重要工序，它是将金属缓慢加热到一定温度，保持 足够时间，然后以适宜速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种 金属热处理工艺。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软 化，改善其塑性和韧性，使其化学成分均匀化，并去除其参与应力，或得到预 期的物理性能。温度控制是热处理质量控制的重要技术措施，是退火控制的核 心。智能温控将大大提高热处理质量，消除认为的不稳定因素，提高温度控制 的精确程度，满足特殊材料的热处理要求。 同时，退火炉采用自动化技术控制温度，对保护生态环境方面也具有重要 意义。退火炉的炉温动态特性直接影响产品的质量，生产过程中对钢材的温升 曲线有较高的要求，温度过低，达不到退火的预期目的；温度过高将导致过热， 甚至过烧。通过对退火炉中生产过程的优化控制和自动工艺管理控制，不但可 以缩短生产周期，提高产量和质量，还可以减少人为因素造成的废品率。热处 理后产生的废气对自然环境的污染很大，退火炉的燃料如果是欠氧燃烧，燃料 燃烧不充分，则会产生大量黑烟，而过氧燃烧又会产生氮氧化合物等有害气体。 若通过对燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比下运行，则可以极大 的减少退火炉对周边环境的污染，对构建科持续发展型社会就有积极的意义。 目前世界各国对能源消耗和大气环境的污染越来越重视，而我国既是钢铁 大国又是能源大国，因此研究高性能退火炉温度控制系统具有极为重要的现实 意义。 1.2 设计算法 在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最 少拍控制是满足这一要求的一种离散化设计方法。 最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍，就是要求闭环系统对 于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，是系统输出值尽快 地跟踪期望值的变化。 闭环 Z 传函具有形式 - 4 - zz zz N N 2 2 1 )( 1 在这里，N 是可能情况下的最小整数。这一传函形式表明闭环系统的脉冲 响应在 N 个采样周期后变为零，从而意味着系统在 N 拍之内达到稳态。 - 5 - 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本文提出了一种基于最少拍的退火炉温度控制系统设计方案，实现对退火 炉的温度控制。退火炉采用电热丝加热，通过巡回检测退火炉内温度，根据测 量到的温度采样值与系统给定值进行比较来决定是否启动电热丝加热，用单片 机作为控制器，设计出最少拍无纹波控制器，4 个键盘进行温度控制值的选择， 三位 LED 显示炉温。 2.2 系统组成总体结构 退火炉计算机控制系统框图如图 2.1 所示 AT89C51 单片机 三位 LED 显示电路 按键电路驱动电路 D/A 转换器 温度检测A/D 转换 电热丝 图 2.1 利用单片机设计结构框图 退火炉使用电热丝加热，温度范围为 01000 摄氏度，炉内温度值经热电偶 检测后，经变送器变成 05V 范围内的电压信号送 A/D 转换器转换成对应的数 字量。数字量经数字滤波后送入 CPU 作为本次采样值。把测量到的温度值与设 定值进行比较来决定是否启动电热丝加热。 本次设计的退火炉计算机控制系统系统包括 5 大部分，即核心控件 （89C51 主控模块） ，复位电路，温度检测，按键，LED 显示电路。主控模块， 具有控制功能，主要由 AT89C51 单片机组成，是退火炉温度控制系统的核心。 温度系统是受控模块，由 D/A 转换器和电热丝组成。主控模块上设有 4 个按键 - 6 - 和 3 个 LED 显示器，可以通过按键控制温度并通过 LED 数码管显示。复位开 关连接控制器的 RST 端，实现复位控制。 - 7 - 第 3 章 硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 3.1.1 单片机选择 本次设计选择 AT89C51。 （1）AT89C51 单片机硬件结构： AT89C51 是一种低功耗、低电压、高性能的八位 CMOS 单片机，片内有一 个 4KB 的 FLASH 可变成可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） ，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非 易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MSC-51 兼容。片内置通 用 8 位中央处理器（CPU）和 FLASH 存储单元，片内的存储器允许在系统内 改变程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51 是一种功能强、灵 活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。 （2）管脚说明： VCC（40）：供电电压，其工作电压为 5V。 GND(20):接地。 P0 端口（P0.0-P0.7）:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部 程序数据存储器，它可以被定义为数据、地址的第八位。再 LFASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必 须被拉高。 P1 端口（P1.0-P1.7）：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能够接收 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高电平， 可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的 缘故。再 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 端口（P2.0-P2.7）：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部 上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将 输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地 址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时， 它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其 特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和 控制信号。 P3 端口（P3.0-P3.7）：P3 口管脚是一个带有内部上拉电阻的 8 位的双向 I/O 端口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上 拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3 口将输 - 8 - 出电流（ILL） 。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，P3 口同时为闪烁 编程和编程校验接收一些控制信号。 复位 RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周 期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51 芯片便循环复位。复位后 P3.0-P3.7 口均置 1，引脚表现为高电平，程序计数 器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序。复位操作不会对内部 RAM 有所影响。 ALE/(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁 PROG 存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此 它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部 数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地 址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另 外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 (29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间， PSEN 每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 PSEN EA/VPP(31)：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- _ EA FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，将内部锁定为 _ EA RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间， _ EA 此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1(19)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。其引脚图如图 3.1 所示。 图 3.1 AT89C51 引脚图 3.1.2 时钟电路设计 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作 则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。 时钟电路 89C51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡 方式和外部振荡方式。 - 9 - 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构 成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后， 就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 3-1 所示。图 3-1 中，电容器 Cl，C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值 一般在 5-30pF。晶振频率的典型值为 12MHz，采用 6MHz 的情况也比较多。内 部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。 图 3.2 时钟电路 3.1.3 复位电路设计 当 89C51 单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高 电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环 复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电 或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 常用的上电复位电路电容 C1 和电阻 R1 对电源+5V 来说构成微分电路。上 电后，保持 RST 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中 电阻 R1，也能达到上电复位的操作功能，如图3.3 所示。 图 3.3 复位电路电路 开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用 开关操作也能使单片机复位常用的上电或开关复位电路。上电后，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RESET 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行 89c51 X1 X2 C1 - 10 - 当中时，按下复位键 K 后松开，也能使 RESET 为一段时间的高电平，从而实 现上电或开关复位的操作。 单片机最小系统由单片机，时钟电路，复位电路组成，最小系统图如下： 图 3.4 单片机最小系统图 3.2 温度检测部分 （1）温度传感器：因为退火炉的温度测量范围为 01000， 传感器选择 K 型热电偶。其测温范围广，使用温度为2001300,它具有线性度好，热 电式大，灵敏度高、性能稳定，结构简单，抗氧化性，动态性好，价格便宜等 优点，所以，适合于本系统。提供模拟量给 A/D 转换器。 - 11 - 图 3.5 热电偶电路图 （2）A/D 转换器：由于 A/D 转换采用 ADC0809，为多通道 AD 转换器。 其工作为查询方式。将转换结束信号 EOC 作为状态信号，经三态门接入数据总 线最高位 D7。启动转换后，不断检测 D7 位是否为 1，就可以知道转换是否结 束。状态断口的地址假设为 238H。利用 ADC0809 芯片中的多路开关，我们可 以实现 8 个模拟信号的分时转换。系统地址总线的低 3 位分别连接 ADC0809 的地址线 C、B、A，在启动 A/D 转换的同时，选定要进行转换的模拟通道，对 应 8 个模拟通道的 I/O 地址分别为 220-227H。 图 3.6 A/D 转换器引脚图 A/D 转换器输出的为 BCD 码，2-12-8 口不是总线式的。因此，单片机只 IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-B 24 ADD-C 23 IN-7 5 ALE 22 ref(-) 16 ENABLE 9 START 6 ref(+) 12 CLOCK 10 IC8 ADC0809 V0 V1 R1 2K +5 C4 0.1uF C3 220 6 74 2 3 U3A MC33078 W3A 10K R60 10K R59 10k R58 100K R57 100K 6 74 2 3 U2A MC33078 R52 100K R55 100K R53 100K R55 100K R54 100K R56 300K R54 100K W2A 100K 6 74 2 3 U1A MC33078 -5 +5 -12 +12 +12 -12 +5 -5 V1 -INP +INP - 12 - 能通过并行 I/O 接口或扩展 I/O 口与其相接。还可以通过单片机的 P1 口直接与 其连接。如图 3.7 所示. 图 3.7 A/D 转换器与单片机连接图 3.3 按键控制电路 本次设计的按键部分包含四个按键，直接与单片机相连。S0 按键直接接在 复位电路上，按下 S0 开始控制温度数字的输入，S1 表示是否显示数字，按下 S2 使温度升高，按下 S3 使温度降低。 IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-B 24 ADD-C 23 IN-7 5 ALE 22 ref(-) 16 ENABLE 9 START 6 ref(+) 12 CLOCK 10 IC8 ADC0809 R5 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD/P3.7 17 WR/P3.6 16 INT0/P3.2 12 INT1/P3.3 13 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD/P3.1 11 RXD/P3.0 10 IC1 89C51 Q0 12 Q1 9 Q2 8 Q3 11 MS1 6 MS2 7 MR1 2 MR2 3 CLK0 14 CLK1 1 IC9 74LS90 C2 0.1uF Y1 6Mhz R2R3R6R4R9R7R8 C1 0.1uF +5 8*2k V0 V1 R1 2K +5 - 13 - 图 3.8 按键电路图 3.4 LED 显示模块 显示模块主要包括三个 LED 显示灯，第一位显示百位，与单片机 P1.0 相 连，第二位显示十位，与单片机 P1.1 相连，第三位显示各位，与单片机 P1.2 相连。LED 显示电路如图 3.7 所示。 8 段 LED 显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共 阳极 LED 将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平， 某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极 LED 将所 有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光 二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。 图 3.9 LED 连接电路 - 14 - 3.5 温度控制电路 执行部分为和固态继电器控温电路，由 D/A 转换器和电热丝组成。D/A 转 换器将单片机输出的数字量数据转换成模拟量，控制电热丝是否工作。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得 到广泛的应用。D/A 转换器由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换 电路及转换控制电路构成。 主要特性有：1.分辨率为 8 位；2.电流稳定时间 1us；3.可单缓冲、双缓 冲或直接数字输入；4.只需在满量程下调整其线性度；5.单一电源供电 （+5V+15V） ；6.低功耗，20mW。 图 3.10 D/A 转换电路图 固态继电器控温电路如图3.9所示，采用Z型交流固态继电器SSR，实现零 触发交流调功。SSR内设光电隔离电路，可减少与电网间的相互干扰，这是一 种较先进的控制方法。 - 15 - 图 3.11 固态继电器控温电路 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:19-Jun-2006Sheet of File:D:PREV IO 11.D DBDrawn By: 12 U31A 74LS05 555 C1 0.1uF 180k5k +12 1k AC AC SSR C? CA P RS - 16 - 第 4 章 软件算法 4.1 程序框图 退火炉温度控制系统框图如下： 系统初始化 温度采集和处理 比较温度 最少拍无纹波控制算法 求出输出控制量 控制输出 结束 开始 A/D 转换器 80C51 读取 图 4.1 主程序框图 控制系统包括温度采集和处理控制火炉内温度，通过采集到的数据与系 - 17 - 统给定值比较来决定是否给退火炉控温。再通过最少拍无纹波控制器输出控制 量来控制输出，得出温度并显示。 4.2 算法设计 最少拍原理：在采样控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。在典型 输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完全跟踪参考输入 量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系。 系统控制原理框图如下： 图 4.2 系统控制原理图 “温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即 （4- 1 ( )( )*( )*1 1 s cc Ke G sG sD s s 1） 式中： 煤气退火炉的传递函数；）（sGc D(s) 比例环节取 1； K比例系数； 纯滞后时间； 时间常数。 1 设传递函数为 （4- 11 . 0 10 ss sGC D(s) B(s) Gh(s)Go(s) - G(s) C(s) E(z) U(z) E(s) G(z) R(z) R(s) C(z) - 18 - 2） 采样周期 T=0.1s，零阶保持器为 （4- s e sH Ts 1 )( 3） 系统广义对象的脉冲传递函数为 ： )3679 . 0 1)(1 ( )11 . 0 1 (9 ) 11 . 0( 101