《基于最少拍的退火炉温度控制系统设计》-公开DOC·毕业论文

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1、 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 计算机控制技术计算机控制技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 基于最少拍的退火炉温度控制系统设计基于最少拍的退火炉温度控制系统设计 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 本科生课程设计 论文 III 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动化 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 论文 题目 基于最少拍的退火炉温度控制系统设计 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数

2、 实现功能实现功能 退火炉采用电热丝加热 通过巡回检测八路退火炉内温度 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 本设计要求 采用单片机作为控制器 设计最少拍无纹波控制器 有键盘进行温度控制值的 选择 三位 LED 显示炉温 设计任务及要求设计任务及要求 1 确定系统设计方案 包括单片机的选择 输入输出通道 键盘显示电路 2 建立被控对象的数学模型 3 设计最少拍无纹波控制器 给出计算过程 并检验是否有文波 给出设计程 序流程图和程序清单 4 仿真研究 验证设计结果 5 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数技术参数 退火炉 最高工作温

3、度950 控温精度 3 升降温速度0 150 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 本科生课程设计 论文 IV 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 V 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

4、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

5、拍无纹波控制器 单片机 本科生课程设计 论文 VI 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 4 LED 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

6、 参考文献 21 本科生课程设计 论文 1 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

7、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

8、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 本科生课程设计 论文 2 拍控制是满足这一要求的一

9、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 zz zz N N 2 2 1 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 本科生课程设计 论文 3 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

10、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 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 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

11、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 本科生课程设计 论文 4 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 本科生课程设计 论文 5 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

12、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 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

13、 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 4T

14、TL 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

15、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 本科生课程设计 论文 6 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

16、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 PROG 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