課程設計設計題目退火爐溫度控制系統(tǒng)學院專業(yè)班級姓名學號指導老師日期摘要退火爐是金屬熱處理中的重要設備，它把壓力容器加熱到一定溫度并維持一段時間，然后讓其自然冷卻。其目的在于消除壓力容器的整體壓力。提高壓力容器的使用壽命。溫度是退火爐的主要被控變量，是保證其產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素。退火爐溫度控制的穩(wěn)定性和控制精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以AT89C51單片機為控制核心，采用模塊化的設計方案，包括硬件設計與軟件設計兩部分。硬件設計包括溫度檢測模塊，按鍵模塊，執(zhí)行模塊，LED顯示模塊，單片機最小系統(tǒng)。本設計要求采用電熱絲加熱，通過A/D轉(zhuǎn)換將采集到的溫度數(shù)據(jù)輸入單片機中，與系統(tǒng)給定值比較，從而對退火爐的溫度進行控制，通過按鍵輸入控制信號，三位LED顯示爐溫。最后設計出最少拍無紋波控制器，通過MATLAB仿真檢驗是否有紋波。目錄第1章緒論311設計背景312設計算法3第2章課程設計的方案521概述522系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)5第3章硬件設計731單片機最小系統(tǒng)設計7311單片機選擇7312時鐘電路設計8313復位電路設計932溫度檢測部分1033按鍵控制電路1234LED顯示模塊1335溫度控制電路14第4章軟件算法1641程序框圖1642算法設計17第5章系統(tǒng)仿真20第6章課程設計總結(jié)21第1章緒論11設計背景退火爐是冶金和機械行業(yè)常用的熱處理工業(yè)設備。一般說來，退貨處理工藝師冶金和機械產(chǎn)品的最后處理工序，它的處理效果將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，對退火爐的基本要求就是根據(jù)退火處理工藝曲線，提供準確的升溫，保溫及降溫操作，同時保證顱內(nèi)各處的溫度均勻。在目前實際生產(chǎn)中，退火爐的種類很多，按燃料分有燃油爐、燃氣爐、電爐等。電爐按臺數(shù)計算占80，燃油爐和燃氣爐占20。退火是金屬熱處理中的重要工序，它是將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）的一種金屬熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化，改善其塑性和韌性，使其化學成分均勻化，并去除其參與應力，或得到預期的物理性能。溫度控制是熱處理質(zhì)量控制的重要技術(shù)措施，是退火控制的核心。智能溫控將大大提高熱處理質(zhì)量，消除認為的不穩(wěn)定因素，提高溫度控制的精確程度，滿足特殊材料的熱處理要求。同時，退火爐采用自動化技術(shù)控制溫度，對保護生態(tài)環(huán)境方面也具有重要意義。退火爐的爐溫動態(tài)特性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)過程中對鋼材的溫升曲線有較高的要求，溫度過低，達不到退火的預期目的；溫度過高將導致過熱，甚至過燒。通過對退火爐中生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和自動工藝管理控制，不但可以縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，還可以減少人為因素造成的廢品率。熱處理后產(chǎn)生的廢氣對自然環(huán)境的污染很大，退火爐的燃料如果是欠氧燃燒，燃料燃燒不充分，則會產(chǎn)生大量黑煙，而過氧燃燒又會產(chǎn)生氮氧化合物等有害氣體。若通過對燃燒過程進行有效控制，使燃燒在合理的空燃比下運行，則可以極大的減少退火爐對周邊環(huán)境的污染，對構(gòu)建科持續(xù)發(fā)展型社會就有積極的意義。目前世界各國對能源消耗和大氣環(huán)境的污染越來越重視，而我國既是鋼鐵大國又是能源大國，因此研究高性能退火爐溫度控制系統(tǒng)具有極為重要的現(xiàn)實意義。12設計算法在數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制是滿足這一要求的一種離散化設計方法。最少拍控制是一種直接數(shù)字設計方法。所謂最少拍，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)，是系統(tǒng)輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。閉環(huán)Z傳函具有形式ZZN21在這里，N是可能情況下的最小整數(shù)。這一傳函形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應在N個采樣周期后變?yōu)榱悖瑥亩馕吨到y(tǒng)在N拍之內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。第2章課程設計的方案21概述本文提出了一種基于最少拍的退火爐溫度控制系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)對退火爐的溫度控制。退火爐采用電熱絲加熱，通過巡回檢測退火爐內(nèi)溫度，根據(jù)測量到的溫度采樣值與系統(tǒng)給定值進行比較來決定是否啟動電熱絲加熱，用單片機作為控制器，設計出最少拍無紋波控制器，4個鍵盤進行溫度控制值的選擇，三位LED顯示爐溫。22系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)退火爐計算機控制系統(tǒng)框圖如圖21所示AT89C51單片機三位LED顯示電路按鍵電路驅(qū)動電路D/A轉(zhuǎn)換器溫度檢測A/D轉(zhuǎn)換電熱絲圖21利用單片機設計結(jié)構(gòu)框圖退火爐使用電熱絲加熱，溫度范圍為01000攝氏度，爐內(nèi)溫度值經(jīng)熱電偶檢測后，經(jīng)變送器變成05V范圍內(nèi)的電壓信號送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量。數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波后送入CPU作為本次采樣值。把測量到的溫度值與設定值進行比較來決定是否啟動電熱絲加熱。本次設計的退火爐計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)包括5大部分，即核心控件（89C51主控模塊），復位電路，溫度檢測，按鍵，LED顯示電路。主控模塊，具有控制功能，主要由AT89C51單片機組成，是退火爐溫度控制系統(tǒng)的核心。溫度系統(tǒng)是受控模塊，由D/A轉(zhuǎn)換器和電熱絲組成。主控模塊上設有4個按鍵和3個LED顯示器，可以通過按鍵控制溫度并通過LED數(shù)碼管顯示。復位開關連接控制器的RST端，實現(xiàn)復位控制。第3章硬件設計31單片機最小系統(tǒng)設計311單片機選擇本次設計選擇AT89C51。（1）AT89C51單片機硬件結(jié)構(gòu)AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的八位CMOS單片機，片內(nèi)有一個4KB的FLASH可變成可擦除只讀存儲器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC51兼容。片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，片內(nèi)的存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改變程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程。因此，AT89C51是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用于各種控制領域。（2）管腳說明VCC（40）供電電壓，其工作電壓為5V。GND20接地。P0端口（P00P07）P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)、地址的第八位。再LFASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1端口（P10P17）P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能夠接收4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。再FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2端口（P20P27）P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3端口（P30P37）P3口管腳是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位的雙向I/O端口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。復位RST9復位輸入。在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。復位后P30P37口均置1，引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位操作不會對內(nèi)部RAM有所影響。ALE/30當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖PROG存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。29外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，PSEN每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。EA/VPP31當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H_AFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定為_EARESET；當端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，E此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL119反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL218來自反向振蕩器的輸出。其引腳圖如圖31所示。圖31AT89C51引腳圖312時鐘電路設計單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。時鐘電路89C51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器簡稱晶振或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖31所示。圖31中，電容器CL，C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在530PF。晶振頻率的典型值為12MHZ，采用6MHZ的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖32時鐘電路313復位電路設計當89C51單片機的復位引腳RST全稱RESET出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路電容C1和電阻R1對電源5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖33所示。圖33復位電路電路開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位常用的上電或開關復位電路。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RESET持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行89C51X1X2C1C2GND當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RESET為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。單片機最小系統(tǒng)由單片機，時鐘電路，復位電路組成，最小系統(tǒng)圖如下圖34單片機最小系統(tǒng)圖32溫度檢測部分（1）溫度傳感器因為退火爐的溫度測量范圍為01000，傳感器選擇K型熱電偶。其測溫范圍廣，使用溫度為2001300,它具有線性度好，熱電式大，靈敏度高、性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，抗氧化性，動態(tài)性好，價格便宜等優(yōu)點，所以，適合于本系統(tǒng)。提供模擬量給A/D轉(zhuǎn)換器。圖35熱電偶電路圖（2）A/D轉(zhuǎn)換器由于A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809，為多通道AD轉(zhuǎn)換器。其工作為查詢方式。將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC作為狀態(tài)信號，經(jīng)三態(tài)門接入數(shù)據(jù)總線最高位D7。啟動轉(zhuǎn)換后，不斷檢測D7位是否為1，就可以知道轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。狀態(tài)斷口的地址假設為238H。利用ADC0809芯片中的多路開關，我們可以實現(xiàn)8個模擬信號的分時轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)地址總線的低3位分別連接ADC0809的地址線C、B、A，在啟動A/D轉(zhuǎn)換的同時，選定要進行轉(zhuǎn)換的模擬通道，對應8個模擬通道的I/O地址分別為220227H。圖36A/D轉(zhuǎn)換器引腳圖A/D轉(zhuǎn)換器輸出的為BCD碼，2128口不是總線式的。因此，單片機只IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10IC8ADC0809V0V1R12K5C401UFC322067423U3AMC33078W3A10KR6010KR5910KR58100KR57100K67423U2AMC33078R52100KR55100KR53100KR55100KR54100KR56300KR54100KW2A100K67423U1AMC33078551212121255V1INPINP能通過并行I/O接口或擴展I/O口與其相接。還可以通過單片機的P1口直接與其連接。如圖37所示圖37A/D轉(zhuǎn)換器與單片機連接圖33按鍵控制電路本次設計的按鍵部分包含四個按鍵，直接與單片機相連。S0按鍵直接接在復位電路上，按下S0開始控制溫度數(shù)字的輸入，S1表示是否顯示數(shù)字，按下S2使溫度升高，按下S3使溫度降低。IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10IC8ADC0809R5EA/VP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD/P3111RXD/P3010IC189C51Q012Q19Q28Q311MS16MS27MR12MR23CLK014CLK11IC974LS90C201UFY16MHZR2R3R6R4R9R7R8C101UF582KV0V1R12K5圖38按鍵電路圖34LED顯示模塊顯示模塊主要包括三個LED顯示燈，第一位顯示百位，與單片機P10相連，第二位顯示十位，與單片機P11相連，第三位顯示各位，與單片機P12相連。LED顯示電路如圖37所示。8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。共陰極LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電平時，相應的字段就被點亮。圖39LED連接電路35溫度控制電路執(zhí)行部分為和固態(tài)繼電器控溫電路，由D/A轉(zhuǎn)換器和電熱絲組成。D/A轉(zhuǎn)換器將單片機輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，控制電熱絲是否工作。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要特性有1分辨率為8位；2電流穩(wěn)定時間1US；3可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；4只需在滿量程下調(diào)整其線性度；5單一電源供電（5V15V）；6低功耗，20MW。圖310D/A轉(zhuǎn)換電路圖固態(tài)繼電器控溫電路如圖39所示，采用Z型交流固態(tài)繼電器SSR，實現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功。SSR內(nèi)設光電隔離電路，可減少與電網(wǎng)間的相互干擾，這是一種較先進的控制方法。圖311固態(tài)繼電器控溫電路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19JUN2006SHEETOFFILEDPREVIO11DDBDRAWNBY12U31A74LS05555C101UF180K5K121KACACSSRCCAPRS第4章軟件算法41程序框圖退火爐溫度控制系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)初始化溫度采集和處理比較溫度最少拍無紋波控制算法求出輸出控制量控制輸出結(jié)束開始A/D轉(zhuǎn)換器80C51讀取圖41主程序框圖控制系統(tǒng)包括溫度采集和處理控制火爐內(nèi)溫度，通過采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)給定值比較來決定是否給退火爐控溫。再通過最少拍無紋波控制器輸出控制量來控制輸出，得出溫度并顯示。42算法設計最少拍原理在采樣控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱作一拍。在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少拍，使輸出量采樣時刻的數(shù)值能完全跟蹤參考輸入量的數(shù)值，跟蹤誤差為零的系統(tǒng)稱為