煤氣退火爐控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄1. 設(shè)計內(nèi)容.12總體方案設(shè)計32.1.系統(tǒng)設(shè)計方案的提出32.2.方案比較及確定43. 控制系統(tǒng)的設(shè)計.64系統(tǒng)硬件設(shè)計74.1.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計74.2單元模塊設(shè)計7 4.2.1.電源模塊7 4.2.2. 控制模塊8 4.2.3.執(zhí)行模塊9 4.2.4.溫度采集模塊9 4.2.5.顯示模塊114.3.元器件清單125.系統(tǒng)軟件設(shè)計135.1.軟件流程圖137.總結(jié)158.參考文獻189.程序.19 1.設(shè)計內(nèi)容 煤氣罩式退火爐主要用于對冷軋鋼板進行熱處理，采用高爐煤氣作為燃料。爐體分內(nèi)罩和外罩，在內(nèi)罩內(nèi)放入退火鋼卷，并投入保護性氣體防止氧化。燃燒在內(nèi)罩和外罩之間進行。12個噴嘴分為

2、上下兩層，每層6個環(huán)繞排列。煤氣和空氣的噴燃比由連接兩個閥門的連桿所固定，這樣在燃燒時，其空燃比不變。煤氣和空氣閥均為蝶閥，由一臺電動執(zhí)行器通過連桿共同帶動。設(shè)計系統(tǒng)保護氣體溫度為輸入及控制量，以電動執(zhí)行器帶動的蝶閥開度（對應(yīng)于煤氣輸入量）為輸出的一個單輸入單輸出的溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)要求溫度在升溫、保溫過程中按一定的工藝曲線升溫和保溫，在400溫度內(nèi)，保護氣體溫度在供氣閥門開到最大情況下，以自由升溫的速率再最短的時間內(nèi)升到400。從400開始到700的保溫點，溫度按4575/h的速率上升，此段為升溫段。到達700點，則開始進入保溫段，以700為恒值溫度進行保溫。鋼卷保溫一定時間后?；?，進入

3、降溫段，而降溫過程為自由降溫，在此段中溫控系統(tǒng)停用。選擇合適的控制算法進行控制。2總體方案設(shè)計2.1.系統(tǒng)設(shè)計方案的提出本設(shè)計是基于51單片機的控制及顯示電路設(shè)計，從系統(tǒng)的設(shè)計功能上看，系統(tǒng)可分為五大部分，即控制部分、傳感器部分、數(shù)字顯示部分、電源部分和執(zhí)行部分，對于每一個部分都有不同的設(shè)計方案，起初我們組擬訂了下面兩種方案：1控制部分(1)AT89C52單片機 （2）其他 2傳感器部分(1) （J型熱電偶）鐵-銅鎳熱電偶(2) （T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶3.數(shù)字顯示部分(1) 采用LED 數(shù)碼管顯示，利用多個數(shù)碼管來顯示數(shù)字。(2)LCD液晶屏顯示。4電源部分：(1)購買開關(guān)電源。（2）自

4、制電源。5.執(zhí)行部分（1）用交流電機。（2）用直流電機，采用集成芯片LM298與LM297組成驅(qū)動電路。2.2.方案比較及確定（1）本設(shè)計中我們采用AT89C52單片機作為主控芯片，AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，而且可編程性好。（2）J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點,廣為用戶所采用。其溫度范圍為0750，符合我們的要求。雖然T型熱電偶也具有這些優(yōu)點，但是其測量溫區(qū)為-200350，不能滿足我們的要求。（3）若用LED數(shù)碼管顯示，LED數(shù)碼管亮度高、小

5、巧輕便，但是電路復(fù)雜，顯示信息量較小；LCD的優(yōu)點是：工作電流較小、功耗很低，而且可以清晰顯示大量信息，趣味性強。所以選用LCD液晶顯示。（4）購買的開關(guān)電源帶負載的能力比較好，比較穩(wěn)定，但是為了提升自己的動手能力，我們選擇自己焊接所需的電路。（5）若用交流電機，轉(zhuǎn)動速度固定，一般為水平轉(zhuǎn)動速度為4/秒6/秒，垂直轉(zhuǎn)動速度為3/秒6/秒。其缺點是無法大電流驅(qū)動.降低了工作效率且不容易實現(xiàn)。若選用集成芯片LM298驅(qū)動直流步進電機，具有轉(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點，十分適合需要快速捕捉目標的場合。其水平最高轉(zhuǎn)速可達4050/秒，垂直可達1024/秒。這種電路通過芯片產(chǎn)生正反向電壓.開關(guān)速度很快.穩(wěn)定性極

6、強.效率也非常高?；谏鲜隹紤].我們擬選用方案二。3. 控制系統(tǒng)的設(shè)計 AT89C52單片機作為主控模塊，通過傳感器進行溫度的采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成計算機能夠接收的數(shù)字信號，然后在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號去控制執(zhí)行機構(gòu)（直流電機）的轉(zhuǎn)動，并且電機的轉(zhuǎn)動分為三個階段： 第一階段：當采集到的數(shù)據(jù)在（0400）范圍內(nèi)時，單片機就會控制直流電機轉(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)動的非常快。電機轉(zhuǎn)動帶動閥門，從而控制閥門的開度，使溫度快速升高。 第二階段：當采集到的數(shù)據(jù)在（400700）范圍內(nèi)時，單片機就會控制直流電機轉(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)動速度減慢。電機轉(zhuǎn)動帶動閥門，從而控制閥門的開度，并且使速率控制在45

7、75/h之間，溫度由400升溫到700。 第三階段：當采集的數(shù)據(jù)達到700時，電機就停止轉(zhuǎn)動。 同時系統(tǒng)整個過程都通過LCD液晶屏對溫度進行實時跟蹤與顯示。4系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖2 系統(tǒng)硬件電路圖4.2單元模塊設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)分為五個模塊：電源模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、溫度采集模塊和顯示模塊。分別將各單元模塊功能介紹如下：4.2.1.電源模塊穩(wěn)壓電源模塊我們采用三端集成線性穩(wěn)壓集成塊：L7805CV芯片。本設(shè)計中我們所需的5V電源使用L7805CV芯片完成。因為它的外圍電路比較簡單，并且工作比較穩(wěn)定。它的穩(wěn)壓精度為2%，工作電流1.5A，封裝為TO-220(A

8、)，工作溫度也很不錯，并且具有過溫保護和短路保護，最大輸入電壓為35V，能對電路的長時間工作有很大的保障，故用其作為穩(wěn)壓芯片。4.2.2. 控制模塊本設(shè)計中我們采用AT89C52單片機作為主控芯片，AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您

9、提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其引腳圖如下所示：圖3 引腳圖主要功能特性： 兼容MCS51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）Flash ROM 32個雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 時鐘頻率0-24MHz 2

10、個串行中斷 可編程UART串行通道 2個外部中斷源 共6個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 4.2.3.執(zhí)行模塊 執(zhí)行機構(gòu)我們采用直流電機作為被控對象，直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用，用作直流發(fā)電機可以得到直流電源，而作為直流電動機，由于直流電機的啟動性能好，具有良好的調(diào)速性能，運行穩(wěn)定；直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑，而且直流電動機的過載能力較強，熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大。在許多調(diào)速性能要求較高的場合，仍得到廣泛使用。尤其是在調(diào)速性能要求較高的大型設(shè)備,比如軋鋼機上都采用直流電動機拖動。在本

11、實驗中直流電機的作用是：根據(jù)電動機轉(zhuǎn)動的快慢來反映煤氣退火爐溫度上升的快慢。在0400時，電動機快速轉(zhuǎn)動打開供氣閥門快速供氣，使火爐在最短的時間內(nèi)快速升溫到400；從400700為火爐的保溫點，此時直流電機的轉(zhuǎn)速將慢慢降低；當溫度上升到700時，閥門供氣量將會下降，使火爐進入保溫階段。這時直流電機將停止轉(zhuǎn)動4.2.4.溫度采集模塊在本次實驗中用到的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0808，其原理圖及控制原理如下：（1）模擬量輸入； A/D 轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)輸出 圖4 ADC0808的原理框圖 （2）引腳介紹： ：主電源輸入端。 REF （ + ）、 REF （ - ）：基準電源輸入端，使用中 REF （ -

12、）一般接地， REF （ + ）最大可接 ，要求不高時， REF （ + ）接 的 電源。 GND ：模擬地數(shù)字地共用的接地端。 CLK ：時鐘輸入引腳，時鐘頻率范圍 ，典型值 ，此時轉(zhuǎn)換時間約為 。 ： 8 路模擬量單極性電壓的輸入引腳。 ADD A 、 ADD B 、 ADD C ： 8 選 1 模擬開關(guān)的三位通道地址輸入端。用來選擇對應(yīng)的輸入通道，其對應(yīng)關(guān)系如圖 9-4 所示。比如 CBA=011 ，則選中 引腳的輸入電壓。 C 、 B 、 A 通常與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的 、 、 連接。但也有與系統(tǒng)地址總線相連的，此種用法需小心處理端口地址的組織。 ALE ：為通道地址鎖存允許選通控制端，輸入

13、上跳沿有效；它有效時， C 、 B 、 A 的通道地址值才能進入通道地址鎖存器， ALE 下跳為低電平（無效）時，鎖存器鎖存進入的通道地址。 START ：啟動 A/D 轉(zhuǎn)換控制引腳，由高電平下跳為低電平時有效；即對該引腳輸入正脈沖下跳沿后， ADC 開始逐次比較；也可將 START 與 ALE 連接在一起使用，安排一個 CPU 寫端口地址；正脈沖上升沿通道地址（碼）被寫入通道地址鎖存器，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。 EOC ： ADC 轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出信號引腳；未啟動轉(zhuǎn)換時， EOC 為高電平，啟動轉(zhuǎn)換后，正在逐次逼近比較期間 EOC 為低電平，低電平持續(xù)時間為 A/D 轉(zhuǎn)換時間，約 （與時鐘頻率

14、有關(guān)），一旦轉(zhuǎn)換完畢， EOC 端上跳為高電平，此信號可供 CPU 查詢或向 CPU 發(fā)中斷。 ： 8 位數(shù)字量輸出引腳， 為 （ MSB ）， 為 （ LSB ），它是三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸出引腳，未被選通時， 8 個引腳對片內(nèi)均為高阻斷開；因此可與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 直接相連。 OE ：數(shù)字量輸出允許控制端，輸入正脈沖有效；它有效時，數(shù)據(jù)輸出三態(tài)門被打開，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量各位被送到 引腳上；它無效時， 浮空（高阻隔離）；顯然 OE 端必須設(shè)置一個 CPU 讀數(shù)據(jù)的端口地址，未訪問時，必須為低電平。 （3）公式 單極性 圖5 ADC0808/9 芯片的引腳圖 雙極性 可見此系列 ADC 本身是單極性

15、轉(zhuǎn)換器，也可以通過外偏置電路方法，變成雙極性輸入電壓的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 4.2.5.顯示模塊本系統(tǒng)我們采用LCD液晶顯示屏進行顯示。LCD為英文Liquid Crystal Display的縮寫，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖象。LCD占用空間小，低功耗，低輻射，無閃爍，降低視覺疲勞。在系統(tǒng)中，LCD主要進行溫度的顯示。本設(shè)計中我們選用LCD1602進行顯示，下面是1602的管腳功能說明。圖6 引腳說明1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原

16、理與14腳的LCD完全一樣，引腳功能如下：表1 引腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2

17、位10DB3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負極4.3.元器件清單表2 器件清單器件名稱個數(shù)單片機1A/D轉(zhuǎn)換器1D/A轉(zhuǎn)換器1LCD16021滑動變阻器1運算放大器1電流源5直流電動機1溫度傳感器15.系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1.軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化溫度傳感器采樣A/D轉(zhuǎn)換AT89C52LCD顯示D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)（直流電機）圖為 軟件流程圖7.總結(jié)通過

18、本次的課程設(shè)計，我受益匪淺。不用說在其中學(xué)到的新知識是多么有價值，也不用說它拓寬了多少我的眼界，只是說它讓我的能力得到的提高就已足以成為我努力付出的回報。課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。雖然作的還不是很完善，但還是讓我收獲了很多的東西，在遇見問題的時候，應(yīng)從總的方面找原因，不能一味的注意小環(huán)節(jié)，小環(huán)節(jié)再對大的方向不對也是沒有意義的。同時了解了很多的硬件知識。很多涉及到實際問題時，感到了自己的知識的不足，完全不能滿足需要。對于硬件的使用很多都時在同學(xué)的知道下才完成的。讓我對學(xué)習(xí)的方向和方法有了新的認識。 8.參考文獻【1】于海生 計算機控制技術(shù) 北京:機械工

19、業(yè)出版社2007.5【2】周澤魁.控制儀表與計算機控制裝置.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.9【3】徐科軍.傳感器與檢測技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2004.9【4】謝建英.微型計算機控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2004.9程序： 9.1 #include voidLcd_WriteData(unsignedcharTempData); voidLcd_WriteCmd(unsignedcharTempData,unsignedcharBuysC); void Lcd_ReadStatus(void); void Lcd_Init(void); /LCM初始化 unsigned char

20、Lcd_ReadData(void); void DisplayString(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData); void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData); void Delay(unsignedintdelaytime); sbitLcd_RS=P20; sbitLcd_RW = P21; sbitLcd_E = P22; unsigned int dianya11=0,50,100,150,200,250,

21、300,350,400,450,500;/0-5V #defineLcd_DataP0 #defineDA_Data P3 /-sbit ST=P25;sbit EOC=P26;sbit OE=P27; sbit CLK=P24;#define ADC_OUT P1/-unsigned char b;unsigned int temp;unsigned char table3; /=DAC轉(zhuǎn)換輸出控制電熱絲加熱功率=voidDAConvert(unsignedlongintVoltage)Voltage=255*Voltage/500;DA_Data=Voltage;/-unsigned in

22、t ADC0808(); /- void main(void) Lcd_Init(); / lcd初始化 while(1) temp=ADC0808(); /temp=100; table2=temp%10; table1=(temp/10)%10; table0=(temp/100)%10; DisplayString(0,1, T:); DisplayOneChar(10,1,table0+0x30); DisplayOneChar(11,1,table1+0x30);/LCD顯示測量值 DisplayOneChar(12,1,table2+0x30); DisplayOneChar(13

23、,1,C); if(temp400&temp=700) DAConvert(dianya5); else DAConvert(dianya0); unsigned int ADC0808() unsigned int adc; unsigned longint getdata; ST=0; OE=0; ST=1; ST=0; while(1) CLK=CLK ; if(EOC=1) break; /AD時鐘脈沖 OE=1; getdata=ADC_OUT; OE=0; adc=getdata*704/255; / adc=adc; return(adc);voidLcd_WriteData(u

24、nsignedcharTempData)Lcd_ReadStatus(); Lcd_Data = TempData;Lcd_RS = 1;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0; Lcd_E = 0; Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;/寫指令voidLcd_WriteCmd(unsignedcharTempData,unsignedcharBuysC)if (BuysC) Lcd_ReadStatus(); Lcd_Data = TempData;Lcd_RS = 0;Lcd_RW = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;/讀數(shù)據(jù)unsigned char Lcd_ReadData(void)Lcd_RS = 1;Lcd_RW = 1;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 0;Lcd_E = 1;Lcd_E = 0;return(Lcd_Data);void Lcd_ReadStatus(void) Delay(100);void Lcd_Init(void) /LCM初始化Lcd_Data = 0;Lcd_WriteCmd(0