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1、前言第 1 页 （共 42 页）前 言随着科学的进步与发展，对能源的需求量急剧增加，采油、输油量也随着增加，因此，为节约能源，提高生产效率，对油管的数量及质量要求也更严格。但在生产、加工油管时，因生产工艺、设备等原因，使油管的质量不合格（如裂缝、表面突起或内部有砂眼等），必须对其进行修复。因中频感应加热效率高，节能环保等优点，在工业生产中的应用越来越广泛。国外工业先进国家以及电力资源丰富的国家，广泛的采用中频感应加热对钢材和有色金属材料进行加热和热处理。7O 年代以来，国外感应加热热处理炉在钢管尤其是石油钢管的常化和调质热处理中得到了应用并不断发展。美国隆斯塔钢铁公司，无限制管公司以及日本川崎
2、钢铁公司都有中频感应热处理炉，对石油套管进行调质热处理。近年来为了提高产品质量，降低成本，减少投资，改善劳动条件，在钢材加热和热处理方面也广泛的采用中频感应加热炉，如一些锻压机和钢管挤压机及楔横轧机的坯料加热，PC 钢筋的调质热处理，石油钻杆的管端加热，石油钻杆和工具接头的焊缝热处理，焊管的焊缝热处理等等。感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，其加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。与传统火焰炉和电阻炉加热相比，感应加热的主要优点是：1
3、、加热速度快，能够成倍提高加热设备的生产率，降低成本，提高模具的使用寿命；2、加热温度高，是非接触式的电磁感应加热；3、加热时间短，效率高。感应加热炉设备的生产率可达 60% 70%，而火焰炉只有 20%左右，电阻炉也只有约 40%；4 、作业环境好，环保，几乎无热、噪声、粉尘等污染，作业占地少，生产效率高,5、容易实现自动化控制，具有较好的人机界面操作环境。因此，利用中频感应进行加热可快速将工件加热至 1000C 以上，使油管软化，自动修复微小的裂纹，融合砂眼，增加产品重复利用率，提高质量，减小成本，使生产更高效有序的进行。油管中频加热修复系统设计第 2 页 （共 42 页）1 绪论1.1
4、课题来源来源于生产/社会实际 1.2 研究的目的、意义、应解决的主要问题1目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。因为单片机通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性的转变！ 鉴于
5、单片机的这些广泛用途及如此简便的使用方法，作为本专业的学生我们更应该好好学习单片机。本次毕业设计的目的就是为了进一步熟悉单片机语言及单片机工作原理，煅炼单片机与信号检测的综合应用能力，为以后在工作中解决各种问题打好基础2中频加热是将工频交流电 50Hz 220V 整流滤波为直流电，再经 IGBT 变为中频（300HZ 以上至 10K HZ），利用单片机控制其驱动电路，将其变为可调节的中频电流，根据电磁感应原理，将中频电流通入感应线圈内，在其内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，使置于感应线圈内的工件，受到电流交变磁场作用，依靠电流热效应将工件表面迅速加热。中频感应加热具有电流透入深度比较
6、大，加热速度较快，加热过程容易控制的优点。进行本课题研究的目的和意义在于以下几个方面：1中频加热电源采用不可控整流,交-直-交变频技术,设计了电压型 IGBT 并联谐振电路以及以单片机为核心的控制电路。绪论第 3 页 （共 42 页）2在油管的生产与运输中，会出现不合规格产品，如：油管破裂、表面突起或内部有砂眼等。为节约资源，提高生产效率，则要对其进行修复。中频加热修复是一种高效节能的方法。3利用单片机进行信号控制，可以使其更加方便精确，同时，让单片机与计算机进行串口通信，使人机界面友好、操作简洁方便。1.3 国内外发展现状、发展趋势及存在主要问题我国中频感应加热在工业上的应用，起步于20世纪
7、50年代，在机床制造、纺织机制造、汽车、拖拉机工业等部门应用最早，当时的感应加热技术，绝大部分来自前苏联，少部分来自捷克、比利时等国家。5 0年代末，我国已自制出电子管式高频电源与机械式中频发电机，感应熔炼、感应透热、淬火、介质加热等各种设备与工艺相继在工业上得到应用。6 0年代后，各个部门、企业在自力更生精神鼓舞下，研制出晶闸管中频电源，改进了电子管式高频电源，并设计、制造了各种型式的淬火机床，其典型结构已汇编入原机械部第六设计院的淬火机床图集，共计55种。对外开放以来，通过出国考察、进口设备、引进技术等多种渠道，工业发达国家的现代感应加热技术逐渐进入了我国工业的各个部门，使中频感应加热这一
8、节能、高效、自动化、高重现性、环保的技术更有效地得到利用。油管中频加热修复系统的主要性能特点：1中频感应加热远比红外加热、电阻加热或其它火焰加热快的多。由于加热时间短、氧化的几率少，使质量得以保证。实际上，管体外口加热时间只用一分多钟(可调)就加热到工艺要求的温度，达到了预期效果。2中频电路主控板可装在一金属屏蔽箱内，防止外界的各种干扰，控制系统系数字电路，高度集成化，可靠性高，调试方便。3电路的不可控整流桥简单，设备工作稳定、可靠。4计算机界面控制，单片机辅助控制，极大地减轻了劳动强度，提高了劳动生产率。5由于中频感应加热钢管的温度取决于磁感应强度 B 的分布。感应加热线圈、油管中频加热修复
9、系统设计第 4 页 （共 42 页）油管都是规则的圆柱体,只要两者同心、周围间隙均匀,就能保证钢管圆周的温度均匀,实际测量和实践结果都说明了这一点。6热电偶测量精度高、应用广泛，可达到预定温度( 800 1 200 , 可调)。1.4 设计方案方案确定：题目要求设计一个油管中频加热修复系统系统，实现对油管的加热修复。中频加热电路采用不可控整流,交-直-交变频技术,设计了电压型 IGBT 谐振电路以及以单片机为核心的控制电路。采用上位机对系统进行操作，通过单片机输出的驱动信号控制 IGBT 的 G 极电压来控制电路的通断，达到给工件加热的目的。同时，用热电偶测量工件温度，与设定值（800可调）比
10、较，若大于设定值则停止加热工作，小于则继续加热。基于设计思路在设计过程中选择合适的元器件，使用合适的单元电路模块，有效的达到设计要求。方案结构如图 1：产生中频图 1 系统框图油管加热修复模块PC 机显示操作模块MCS-51温度比较ADC0804 温度采集LED 温度显示系统硬件设计第 5 页 （共 42 页）利用 VB 软件编一个窗口界面，再利用与单片机之间的串口通信，对加热电路进行操作。这样更加直观明了和智能化。2 系统硬件设计2.1 器件介绍2.1.1 单片机本设计所用的单片机采用 MCS-51 系列单片机。MCS-51 系列单片机是 80 年代由美国 Intel 公司推出的一种高性能
11、8 位单片机。它的片内集成了并行 I/O，串行 I/O，16 位定时器/计数器，片内的 RAM 和 ROM 都比较大，RAM 可达 256B，新型 8051ROM 可达 64KB；由于片内 ROM 空间大，BASIC 语言等都可以固化在单片机内，如 8052AH-BASIC 芯片等。现在 MCS-51 系列单片机已有许多品种，典型的为 8031，8051 和 8751。MCS-51 系列单片机有七种寻址方式，可寻址 64KB 字节的程序存贮器空间和64KB 字节的数据存贮器空间；共有 111 条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有 5 个（8032/8052 为 6 个），分为 2 个
12、优先级，每个中断源的优先级是可编程的；在 RAM 区中还开辟了 4 个通用工作寄存区，共有 32 个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在 MCS-51 系列单片机内部还有 1 个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机，指令系统中的位处理指令即是专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于控制目的和解决各种逻辑问题。2.1.1 .1 89C51 基本结构MCS-51 系列单片机一般采用 HMOS 和 CHMOS 工艺制造，这两种单片机完全兼容。CHMOS 工艺比较先进，不公具有 HMOS 的高速性，同时还具有 CMOS 的低功耗性。为区别起见，CHMOS 工艺的单片机名称
13、前冠以字母 C，如 80C31，80C51 和 87C51 等。此外 CHMOS 型单片机中还有一些以 80C51 为核心，加上一些新的功能部件所组成的增强型单片机，如：8XC51FB 增加了一个可编程的读数器阵列 PCA；8XC51GA 增加了片内的 A/D 转换器；荷兰 PHILIPS 公司生产的与 MCS-51 兼容的增强型单片机油管中频加热修复系统设计第 6 页 （共 42 页）8XC552，不仅增加了片内 A/D 转换器，片内 WATCHDOG 电路和片内 PWM 输出通道，还提供一种新型的芯片间通讯总线 I2C 接口，利用数据和时钟两根线就可以实现芯片之间数据传送。首先介绍 MCS
14、-51 单片机的引脚及其功能。HMOS 工艺制造的 MCS-51 单片机都采用 40 引脚双列直插土封装（DIP）方式，CHMOS 工艺制造的 80C51/80C31 除采用 DIP封装方式外，还采用方形封装。图 2 80c51 引脚图图 2 是 80C51 的引脚图，引脚说明如下： VCC ：80C51 电源正极输入，接+5V 电压。 GND ：电源接地端。 XTAL1 ：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。 XTAL2 ：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采
15、用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。系统硬件设计第 7 页 （共 42 页）ALE/PROG： ALE 是英文ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变来触发外部的 8 位锁存器 (如 74LS373)，将端口 P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以 1/12 振荡频率输出。 EA/VPP ：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中)来执行程序
16、。因此在 8031 中，EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。P0 ：P0 口(P0.0P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载。 P2 ：P2 口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口 )，当访问外部程序存储器时，它是高 8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。每一个引脚可以推动 4 个 LSTL 负载。 P1 ：P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，其输出可以推动 4 个 LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3 ：P3 口(P
