基于最少拍的退火炉温度控制系统方案设计书Word格式文档下载.docx

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检测温度范围0℃~+1000℃

检测精度为1%

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）

2、系统功能分析（1天）

3、系统建模（1天）

4、算法推导，程序设计（2天）

5、仿真分析与研究（2天）

6、撰写、打印设计说明书（2天）

7、答辩（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

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。

关键词：

退火炉；

最少拍无纹波控制器；

单片机

目录

第1章绪论1

1.1设计背景1

1.2设计算法1

第2章课程设计的方案3

2.1概述3

2.2系统组成总体结构3

第3章硬件设计5

3.1单片机最小系统设计5

3.1.1单片机选择5

3.1.2时钟电路设计7

3.1.3复位电路设计7

3.2温度检测部分9

3.3按键控制电路11

3.4LED显示模块12

3.5温度控制电路13

第4章软件算法15

4.1程序框图15

4.2算法设计16

第5章系统仿真18

第6章课程设计总结20

参考文献21

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

（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。

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

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0~1000摄氏度，炉内温度值经热电偶检测后，经变送器变成0~5V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

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-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory），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，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/VPP（31）：

当

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。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；

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。

图3.1AT89C51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。

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0~1000℃，传感器选择K型热电偶。

其测温范围广，使用温度为－200℃～1300℃,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3.6A/D转换器引脚图

A/D转换器输出的为BCD码，2-1~2-8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口直接与其连接。

如图3.7所示.

图3.7A/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。

图3.8按键电路图

3.4LED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3.9LED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3.10D/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。

图3.11固态继电器控温电路

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：

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）

式中：

——煤气退火炉的传递函数；

D（s）——比例环节取1；

K——比例系数；

——纯滞后时间；

——时间常数。

设传递函数为

（4-2）

采样周期T=0.1s，零阶保持器为

（4-3）

系统广义对象的脉冲传递函数为：

满足无纹波设计的必要条件，所以得d=0，q=2，v=1，j=1，且j<

q，故有

（4-4）

对单位阶跃输入信号，

得

得出

第5章系统仿真

用simulink画系统的实现框图如图所示：

图5.1控制系统整体框图

输出曲线如下：

图5.2最少拍无纹波系统输出曲线

放大后可清楚地看出，系统经过两拍后（t=0.2=2T）,其输出响应曲线无波纹地跟随输入信号，系统调节时间为ts=2T=0.2

第6章课程设计总结

经过几天的努力，完成了退火炉设计。

过程虽是辛苦的，但从中我却学到了很多东西。

这次课程设计使我意识到理论与实际相结合的重要，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。

同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握的不够牢固。

通过做课程设计，巩固了课上学习的理论知识，对于计算机汇编语言的系统化整体化有了更深的认识。

整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，只有平时掌握知识扎实，才能在实践时熟练运用，课程设计把平时所学的知识灵活运用结合起来，锻炼我们的思维和动手能力。

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