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1、本科生毕业设计（论文）摘 要退火炉是金属热处理中的重要设备，而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。因此，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。所以，本次毕业设计设计了基于单片机的退火炉温度自动控制系统，实现了温度的自动控制。本控制系统是采用AT89S52单片机为核心，对退火炉温度和燃料流量进行实时监控。由按键设定温度初值，通过温度和流量传感器进行信号的采集，由AD574对其电压信号转换数字信号。通过AT89S52单片机和LCD1602液晶显示屏处理和实时显示相应的数据。当所有设定值设定结束后，通过DAC8420将数字信号转换成模拟信号驱动电动调节阀进行阀门
2、大小的调节即流量调节，进而改变炉内温度，实现温度的自动控制。软件部分采用一种新型的智能控制方法，大林算法来控制系统的温度、流量。其最突出的优点是具有专门针对大滞后系统设计的算法。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点，能够达到良好控制效果。本系统实现了对退火炉的温度、燃料的流量进行实时监控。它不但工程造价较低、运行维护简单、运行费用低，而且是一种简便、可靠、经济、快速的退火方法。 关键词：退火炉；数据采集；大林算法；单片机AbstractAnnealing is an important metal heat treatment equipment, and annealing temp
3、erature is the main controlled variable to ensure the quality of their products. Therefore, the furnace temperature control stability and control accuracy directly affects the quality of products. So, this graduation project is designed based on single-chip furnace temperature control system to achi
4、eve automatic control of temperature.The MCU AT89S52 is used to the center of the control system , the annealing furnace temperature and fuel flow is real-timely monitered.Initial temperature is setted by the key.It is used the temperature transducer and flow transducer to aquire the signal .It is c
5、hanged from the voltage signals to the digital signal by useing the AD574 .Processing and real-time display the corresponding data by useing the MCU AT89S52 and LCD1602 display . When the setting is completed all settings, the digital signal is converted by DAC8420 into an analog signal to drive the
6、 electric control valve is the valve flow control regulation of the size, thereby changing the furnace temperature, automatic temperature control. Software part uses a new type of intelligent control method to control the system Dahlin temperature, flow. Its most prominent advantage is a system desi
7、gned specifically for large delay algorithms. This algorithm has to eliminate residual error, there is compensation for pure lag effect and other characteristics, can achieve good control effect.The annealing temperature, fuel flow rate for real-time monitoring is realized in the system.It is not on
8、ly lower costproject, simple operation and maintenance, low operating costs, but also it is a simple, reliable, economical, rapid annealing method.Key words：annealer；date acquisition；computing control ；MCU目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究现状和发展21.3 本文研究的主要内容2第2章 方案设计及论证32.1 方案设计32.2 方案论证6第3章 硬件电路设计
9、93.1 温度传感器的选择93.2 气体流量传感器的选择113.3 控制阀门的选择123.4 A/D转换器的选择133.5 D/A转换器的选择143.6 单片机的选择163.7 8255扩展I/O口的设计163.8 电源电路的设计183.9 晶振电路的设计193.10 复位电路的设计203.11 温度检测电路的设计213.12 I/V转换电路的设计223.13 多路转换开关的设计243.14 A/D转换电路的设计243.15 D/A转换电路的设计263.16 键盘电路的设计263.17 报警电路的设计283.18 显示电路的设计28第4章 软件设计304.1 主程序系统流程图304.2 温度检
10、测系统流程图314.3 流量检测系统流程图314.4 键盘系统流程图324.5 A/D转换系统流程图334.6 LCD显示系统流程图344.7 控制量输出程序流程图354.8 大林算法系统流程图354.9 燃料配比系统流程图37第5章 结 论38参考文献39致 谢40附 录I41附 录II43附 录III59IV第1章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义退火炉是冶金和机械行业经常会用到的热处理工业设备。一般说来，退火处理是生产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，对于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，同时保证退火炉内各处的
11、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%。研究退火炉的意义在于退火是金属热处理中的重要工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。退火是将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间，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者工件软化，使其化学成分均匀化，改善其塑性和韧性，并去除其参与应力，或者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。智能温度控制将大大提高热处理质量，消除人为的不稳定因素，提高温度控制的精
12、确程度，满足特殊材料的热处理要求。所以，本设计研究的单片机退火炉温度自动控制系统具有十分重要的意义。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，生产过程中对钢材等退火原料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
13、有效控制，使燃烧在合理的空燃比下进行，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意义。1.2 国内外研究现状和发展 随着工业技术的飞速发展，国内外退火产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉设备的性能指标，降低能耗引起了国内外工业行业广泛的重视。近二三十年来，一些发达的工业国家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作，开发了许多新产品，如
14、高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热速度、改善炉温的均匀性、提高退火产品的质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面取得了很好的效果。在国内，退火炉的平均热效率为58%，比工业发达国家的80%约低22个百分点。钢铁退火炉的容量一般为1040吨。通常，每年生产1kt钢铁需要配备1520吨的退火炉1台。退火炉用的能源有电力，柴油，天然气，煤气。炉型有批量式的与连续式的，在板、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线材的拉制也必须经过退火，高强度铝合金管、棒、型材的生产也需要退火。1998年国内约有860台退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约180台，80%都集中在钢铁企业
15、。自1985年以后，全世界就没有建立连续式气垫退火炉，因为投资大，同时现代化的强气流循环的大型批量退火炉在技术上能完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。所以，退火炉发展前景良好。1.3 本文研究的主要内容本系统设计的是一个基于单片机的退火炉自动控制系统，根据需要选择单片机为系统的控制核心，对退火炉的温度、流量进行实时监控。利用温度、流量传感器及信号处理单元将检测到的温度、流量信号进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示，同时与给定的温度值进行比较。当到达预定的设定退火温度，便停止供给燃料，既停止加热。通过控制天然气与空气的混合气体的流量（即阀门开度）来实现退火
16、炉的温度高低的控制。本文提出的退火炉以天然气为燃料，炉温采集系统采用N型镍铬硅镍硅热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，同时采用大林算法进行控制，控制精度高。按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及LCD显示功能。第2章 方案设计及论证2.1 方案设计 本文设计的退火炉选用单片机进行控制。以天然气为燃料，炉温控制系统采用N型镍铬硅镍硅热电偶热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，
