退火炉温度控制系统

课程设计设计题目退火炉温度控制系统学院专业班级姓名学号指导老师日期摘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。目录第1章绪论311设计背景312设计算法3第2章课程设计的方案521概述522系统组成总体结构5第3章硬件设计731单片机最小系统设计7311单片机选择7312时钟电路设计8313复位电路设计932温度检测部分1033按键控制电路1234LED显示模块1335温度控制电路14第4章软件算法1641程序框图1642算法设计17第5章系统仿真20第6章课程设计总结21第1章绪论11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。12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ZZN21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。第2章课程设计的方案21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。22系统组成总体结构退火炉计算机控制系统框图如图21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21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。第3章硬件设计31单片机最小系统设计311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（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY），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MSC51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。GND20接地。P0端口（P00P07）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（P10P17）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（P20P27）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（P30P37）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RST9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P30P37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，这两次有效的信号将不出现。EA/VPP31当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H_AFFFFH），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_EARESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，E此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL119反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL218来自反向振荡器的输出。其引脚图如图31所示。图31AT89C51引脚图312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。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31所示。图31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530PF。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32时钟电路313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33所示。图33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89C51X1X2C1C2GND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34单片机最小系统图32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。图35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220227H。图36A/D转换器引脚图A/D转换器输出的为BCD码，2128口不是总线式的。因此，单片机只IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10IC8ADC0809V0V1R12K5C401UFC322067423U3AMC33078W3A10KR6010KR5910KR58100KR57100K67423U2AMC33078R52100KR55100KR53100KR55100KR54100KR56300KR54100KW2A100K67423U1AMC33078551212121255V1INPINP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37所示图37A/D转换器与单片机连接图33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。IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10IC8ADC0809R5EA/VP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD/P3111RXD/P3010IC189C51Q012Q19Q28Q311MS16MS27MR12MR23CLK014CLK11IC974LS90C201UFY16MHZR2R3R6R4R9R7R8C101UF582KV0V1R12K5图38按键电路图34LED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P10相连，第二位显示十位，与单片机P11相连，第三位显示各位，与单片机P12相连。LED显示电路如图37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39LED连接电路35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（5V15V）；6低功耗，20MW。图310D/A转换电路图固态继电器控温电路如图39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。图311固态继电器控温电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19JUN2006SHEETOFFILEDPREVIO11DDBDRAWNBY12U31A74LS05555C101UF180K5K121KACACSSRCCAPRS第4章软件算法41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41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。42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