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1、中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书1 引言1.1 盐浴炉介绍盐浴炉是用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。盐浴炉分内热式和外热式两大类。内热式盐浴炉又分为电极盐浴炉和电热元件盐浴
2、炉两种1。电极盐浴炉 通过金属电极将低压 (5.536伏)大电流交流电引入炉内，电流流过盐液发热。盐液既是发热体，又是对工件加热的介质。盐液温度依盐液成分而不同，一般在1501300之间。磁场的作用能使盐液循环翻动，有利于盐液温度均匀，又能提高工件的加热速度2。电极盐浴炉由电极、耐火炉衬、密封金属炉罐、绝热层和炉壳构成，由专用变压器供电。因固态盐不导电，开炉时先向起动电极送电，利用起动电极的电阻发热使一部分盐先熔化，然后接通主电极使电流通过熔盐发热工作。主电极有插入式和埋入式两种结构形式。插入式电极：电极从炉口插入炉内。这种电极结构简单，装卸方便。埋入式电极：电极埋在盐中，不接触空气，使用寿命
3、较长。用这种电极的炉膛容积利用系数高，但电极拆卸较困难。两种电极都可用碳钢或耐热钢锻成，也可铸造。电热元件盐浴炉 它由管状电热元件、金属槽(锅)、搅拌器、隔热层和炉壳构成。通电后元件发热将盐熔化。这种炉多用硝盐，故又称硝盐炉。硝盐最高工作温度不超过 550。温度超过此限会加剧硝盐分解，发生事故，因此需要设置超温报警装置。如将硝盐改为苛性钠或苛性钾，则成为碱浴炉，这种炉子适用于钢的光亮淬火3。外热式盐浴炉 盐浴炉的金属炉罐（坩埚）放在炉膛内，用电或火焰进行加热，热效率较低，仅在小型盐浴炉上采用。1.2 盐浴炉国内现状介绍盐浴炉在热处理设备中占有重要的位置,它是利用熔盐作为电阻发热体,利用电极将电
4、流引入熔盐中,当电流流过盐浴时,电能便转变为热能而使盐浴温度升高,控制电流的通断或大小,就可使盐浴保持一定的温度.盐浴炉具有加热速度快、温度均匀,被加热的工件不与空气接触,可防止工件产生氧化与脱碳等优点.特别适用于对尺寸较小、形状复杂,热处理要求较高的工件进行淬火等处理.温度是工艺中的一个重要控制指标。在冶金、化工、机械等各类工业中广泛使用各种加热炉、烘箱.恒温箱等，它们均需对温度进行控制4。在热处理行业中,温度的准确测量和监控是一个非常重要的问题。毫不夸张地说,没有准确的温度测控就没有热处理。由于电加热热处理炉,操作简单、噪音低、温控精度高,广泛应用于机械零件的热处理。但目前国内大多数生产厂
5、家所使用的热处理炉温控系统,是采用模拟控制方式。模拟控制系统不仅存在电子元器件零漂和老化,焊点、连接线、接插件多,故障率高等问题,还存在在温控过程中,需要人的参与和干涉,自动化程度不高等缺陷。在工业生产中,对温度控制系统的要求,主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化,超调小或者无超调,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高5。我国95%热处理用电加热，耗电约占全国总未复盖发电量1%一1.5%。热处理是机械行业的 “电老虎”，约占机械行业用电量的20%一30%;而盐浴炉约占热处理用电量15%一20%。热处理设备中盐浴炉热效率最低，能耗占热处理生产成本20%一25%。因此，热处理节能与经济效益密
6、切相关。为了改变盐浴炉落后面貌，我国热处理工作者作出了不懈努力，取得了可喜成绩。当前盐浴炉仍是机床行业热处理车间主要加热设备之一,是模具、刀具生产不可缺少的设备。因此对盐浴炉的进一步改造是一项重要的工作。目前工厂使用的盐浴炉基本上是采用ZUDG和ZUSG系列的空冷变压器、分档调压、断续控温的落后办法,能耗高,控温精度差,噪声大。由于变档开关容易烧坏,维修频繁,加之炉温波动大,有时出现不能满足某些零件的工艺要求5。 在化工生产中，温度的变化直接影响到产品的质量，因此，需要设计一个功能强的温度控制系统。一般的温度对象带滞后环节，滞后环节的存在会降低系统的性能指标，引起系统不稳定，造成系统很难控制。
7、因此，实现对温度的买时有效控制是温度控制系统的主要任务。.采用单片机为控制核心，可靠、稳定、准确地实现对系统的温度控制。单片机温度控制系统具有精度高、设置操作方便、造价低、控制效果好的特点。经过实际调试使用，系统运行稳定、可靠。具有很强的使用性。1.3本课题的设计要求及目的要求通过对盐浴炉控制系统设计工业应用背景，系统学习，掌握其原理和实现机制。在此基础上, 重点确定系统的设计方案，设计基于单片机控制的系统硬件。 要求温度控制范围600-980度。控制精度，监测点处1.0级。 盐浴炉功率60kvA。变压器低压侧最高24v。设计强电控制电路。 设计盐浴炉控制系统硬件总体结构框图。 设计盐浴炉单片
8、机控制系统硬件详细电路图。2.系统总体设计温度是的一个重要控制指标。在冶金、化工，机械等各类工业中广泛使用加热炉，温箱等，它们均需对温度进行控制。本文所研究的对象是利用单片机对盐浴炉的进行温度控制，目前利用单片机对温度进行控制的方法是基于PID 算法或者是模糊控制理论上实现的。本文通过对单片机进行编程，去调整盐浴炉的加热功率，把炉温控制在设定值的附近6。总体设计:对于小功率的盐浴炉，我们通常采用单相交流电，使用晶闸管调功模块来控制加热功率，图为单片机盐浴炉温度控制器的结构框图。该控制器具有温度控制功能，用户可以设定所需要的温度。在系统启动后，它会根据实测温度与设定温度之间的差值控制晶闸管调功模
9、块，从而控制炉的加热功率，使温度保持在设定值。当温度超过没定值的一定范围，会发出报警信号。图2.1系统总体设计框图3 单片机介绍3.1 单片机的简介 单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器CPU,随机存取存储器RAM、只读存储器ROM,I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，又叫单片微控制(Single Chip Microcontroller)。目前国外己开始把它称作单片微型计算机(Single Chip Microcomputer) 7。3.2单片机主
10、流产品系列 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步，也经历四个阶段。第一阶段(1971-1974年):1971年11月美国Intel公司首先设计成集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并且配有随机存取存储器RAM，只读存储器ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成了功能较强的8位微处理器Intel 8008，在此期间Faircnild公司也研制成F8微处理器。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段(1974-1978年):初级单片机阶段，以Intel公司的
11、MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU,Intel公司又研制成了功能较强的8位微处理器Intel8008，在此期间FaircniId公司也研制成F8微处理器。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段C 1974-1978年):初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU, 并行110口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段(1978-1983年):高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM , ROM容量加大，且寻址范
12、围可达64K字节，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。由于这类单片机的应用领域极其广泛，各公司正在大力改进其结构与性能。所以，这个系列的各类产品是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品，由于其优良的性能价格比，特别适合我国的国情，MCS-51系列单片机有可能稳定相当长一段时期。现在，国内的MCS-51热正在继续升温，随着我国经济建设步伐的加大，MCS-51系列单片机必将在各个领域大显身手。 第四阶段(1983年一现在)8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位
13、单片机及专用单片机;另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要8。3.3近期单片机的发展MCS-51系列属高档单片机，近年来，Intel公司在提高该系列产品性能方面做了不少工作，相继推出了不少新产品: (1) 8052 / 8752 / 8032:将原来的8051 / 8751 / 8031单片机进行了扩展，片内数据存储器增至256字节，程序存储器增至8k,定时器/计数器增至3个16位计数器，有6个中断源。(2)低功耗的CHMOS工艺芯片80C51 / 87C51 / 80C31:这种芯片允许电源波动范围较大，为5V士20，并有三种功耗控制方式。 (3)具有高级语一言编程
14、的芯片8052AH-BASIC。该芯片在片内固化有MCS-BASIC52解释程序，软件开发比较方便。此外还能实现BCD码的浮点运算以及16进制数和十进制数的转换。 (4)高性能的C252系列:在8052的基础上，采用CHM4S工艺，并将MCS-96系列中的一些高速输出、脉宽调制(CPWM),上/下定时器/计数器移植进来，构成新一代MCS-51产品80C252 / 87C252 / 83C252，它们是MCS-51系列中的新产品9。3.4单片机的应用领域按照单片机的特点，单片机可分为单机应用和多机应用。3.4.1单片机的应用 在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用
15、的主要领域有: (1测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统等。 (2)智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 (3)机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近千个机械部件;在数控机床的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制机成本。 (4)智能接口。在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，可以大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。3.4.2多机应用 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。 (1)功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如
