退火炉温度控制系统

1、课程设计设计题目:退火炉温度控制系统学 专 班 姓学 专 班 姓学院:业:级:名:号:指导老师:日期：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

2、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。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章绪论3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1设计背景3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2设计算法3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第2章

3、课程设计的方案5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.1概述5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2系统组成总体结构5 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 第3章硬件设计7 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.1单片机最小系统设计7 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 3.1.1单片机选择7 HYPERLINK l bookmark49 o C

4、urrent Document 3.1. 2时钟电路设计8 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.1.3复位电路设计9 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 3.2温度检测部分10 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.3按键控制电路12 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.4LED显示模块-13 - HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 3.5温度控制

5、电路-14 - HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 第4章软件算法-16 - HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 4.1程序框图-16 - HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.2算法设计-17 - HYPERLINK l bookmark117 o Current Document 第5章系统仿真20 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 第6章课程设计总结21 -第1章绪论1.1设计背景退火炉是冶金

6、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

7、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

8、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

9、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(z)=加 ZT + Z-2 + + Z-N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

10、结构退火炉计算机控制系统框图如图2.1所示图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

11、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

12、 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

13、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

14、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

15、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/PR顽(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 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

16、。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。PSEN (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， 每个机器周期两次PSEN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。EA/VPP(31):当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 (0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密

17、方式1时，EA将内部 锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程 期间，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。P1.0VCGPl 1FQ.QP1.0VCGPl 1FQ.QP1.2FO.lF1.3FSP1 4P0.3P1.5FO.4Pl.5F菖Pl.7 U4P0.6FO.8?P3.OILkDALE/PROGP2.2/INTQPSENF3.3HMT1F2.7F3.4JTT0F2.SP3.mP2.5F2.4F3.7/TLDF2.3君

18、图3.1AT89C51引589C516340 节 3a 37 3 壬 34 32 32 3T 与百 S3 2S 224 23.1.2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。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

19、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

20、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。B1 们 I2M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。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01000C,传感器选择 K型热电偶。其测温范围广，使用温度为一200C1300C,它具有线性度好

21、，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。+12+12(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

22、道的I/O地址分别为220-227H。+5TCIN-0m sb2-12-2IN-12-32-4+5TCIN-0m sb2-12-2IN-12-32-4IN-22-52-6IN-32-7lsb2-8IN-4EOCIN-5ADD-AIN-6ADD-BADD-CIN-7ALEref(-)ENABLESTARTref(+)CLOCKV0 2627V1 28| 16ADC0809图3.6 A/D转换器引脚图212019188151417 2524229I-ll-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

23、口直接与其 连接。如图3.7所示.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。P2.0pTT图P2.0pTT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，

24、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。veco图3.9 LED连接电路veco图3.9 LED连接电路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

25、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。vccIsbDTODI1DI2 rn DM DI5DtomsbDI7-12VToutlIout2RfbvccIsbDTODI1DI2 rn DM DI5DtomsbDI7-12VToutlIout2RfbVr-efILEW1UQO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。S

26、SR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 -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: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：“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即G G (s) = G (s)* D(s)=Ke-黑 5*1T S + 1（4-1）式中：Gc（s）煤气退火炉的传递函数;D（s）比例环节取1；K比例系数；9纯滞后时间；T时间常数。设1 传递函数为Gc（sGc（s）=10sG.1s +1)（4-2）采样周期T=0.1s，零阶保持器为1 e TsH (s)=s(4-3)系统广义对象的脉冲传递函数为：G。= Z土三.10 -9项 + EDss(0.1s +1)(1 z -1)(1 0.3679z -1)满足无纹波设计的必要条件，所以得d=0, q=2, v=1, j=1,且jq,故有m - w + d = 1n -