煤气退火炉控制系统设计教材.docx
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煤气退火炉控制系统设计教材
1.设计内容...................................................................................................................................1
3.控制系统的设计.........................................................................................................................6
9.程序...............................................................................................................................................19
1.设计内容
煤气罩式退火炉主要用于对冷轧钢板进行热处理，采用高炉煤气作为燃料。
炉体分内罩和外罩，在内罩内放入退火钢卷，并投入保护性气体防止氧化。
燃烧在内罩和外罩之间进行。
12个喷嘴分为上下两层，每层6个环绕排列。
煤气和空气的喷燃比由连接两个阀门的连杆所固定，这样在燃烧时，其空燃比不变。
煤气和空气阀均为蝶阀，由一台电动执行器通过连杆共同带动。
设计系统保护气体温度为输入及控制量，以电动执行器带动的蝶阀开度（对应于煤气输入量）为输出的一个单输入单输出的温度控制系统。
设计系统要求温度在升温、保温过程中按一定的工艺曲线升温和保温，在400℃温度内，保护气体温度在供气阀门开到最大情况下，以自由升温的速率再最短的时间内升到400℃。
从400℃开始到700℃的保温点，温度按45~75℃/h的速率上升，此段为升温段。
到达700℃点，则开始进入保温段，以700℃为恒值温度进行保温。
钢卷保温一定时间后停火，进入降温段，而降温过程为自由降温，在此段中温控系统停用。
选择合适的控制算法进行控制。
2．总体方案设计
2.1.系统设计方案的提出
本设计是基于51单片机的控制及显示电路设计，从系统的设计功能上看，系统可分为五大部分，即控制部分、传感器部分、数字显示部分、电源部分和执行部分，对于每一个部分都有不同的设计方案，起初我们组拟订了下面两种方案：
1．控制部分
（1）AT89C52单片机
（2）其他
2．传感器部分
（1）（J型热电偶）铁-铜镍热电偶
（2）（T型热电偶）铜-铜镍热电偶
3.数字显示部分
（1）采用LED数码管显示，利用多个数码管来显示数字。
（2）LCD液晶屏显示。
4．电源部分：
（1）购买开关电源。
（2）自制电源。
5.执行部分
（1）用交流电机。
（2）用直流电机，采用集成芯片LM298与LM297组成驱动电路。
2.2.方案比较及确定
（1）本设计中我们采用AT89C52单片机作为主控芯片，AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，而且可编程性好。
（2）J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,广为用户所采用。
其温度范围为0~750℃，符合我们的要求。
虽然T型热电偶也具有这些优点，但是其测量温区为-200~350℃，不能满足我们的要求。
（3）若用LED数码管显示，LED数码管亮度高、小巧轻便，但是电路复杂，显示信息量较小；LCD的优点是：
工作电流较小、功耗很低，而且可以清晰显示大量信息，趣味性强。
所以选用LCD液晶显示。
（4）购买的开关电源带负载的能力比较好，比较稳定，但是为了提升自己的动手能力，我们选择自己焊接所需的电路。
（5）若用交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4°/秒～6°/秒，垂直转动速度为3°/秒～6°/秒。
其缺点是无法大电流驱动.降低了工作效率且不容易实现。
若选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。
其水平最高转速可达40～50°/秒，垂直可达10～24°/秒。
这种电路通过芯片产生正反向电压.开关速度很快.稳定性极强.效率也非常高。
基于上述考虑.我们拟选用方案二。
3.控制系统的设计
AT89C52单片机作为主控模块，通过传感器进行温度的采集，采集的数据经过A/D转换变成计算机能够接收的数字信号，然后在经过D/A转换将数字信号转变成模拟信号去控制执行机构（直流电机）的转动，并且电机的转动分为三个阶段：
第一阶段：
当采集到的数据在（0~400）℃范围内时，单片机就会控制直流电机转动，
而且转动的非常快。
电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，使温度快速升高。
第二阶段：
当采集到的数据在（400~700）℃范围内时，单片机就会控制直流电机转动，
而且转动速度减慢。
电机转动带动阀门，从而控制阀门的开度，并且使速率控制在45~75℃
/h之间，温度由400℃升温到700℃。
第三阶段：
当采集的数据达到700℃时，电机就停止转动。
同时系统整个过程都通过LCD液晶屏对温度进行实时跟踪与显示。
4．系统硬件设计
4.1.系统硬件电路设计
图2系统硬件电路图
4.2单元模块设计
根据系统要实现的功能，本系统分为五个模块：
电源模块、控制模块、执行模块、温度采集模块和显示模块。
分别将各单元模块功能介绍如下：
4.2.1.电源模块
稳压电源模块我们采用三端集成线性稳压集成块：
L7805CV芯片。
本设计中我们所需的5V电源使用L7805CV芯片完成。
因为它的外围电路比较简单，并且工作比较稳定。
它的稳压精度为2%，工作电流1.5A，封装为TO-220（A），工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，能对电路的长时间工作有很大的保障，故用其作为稳压芯片。
4.2.2.控制模块
本设计中我们采用AT89C52单片机作为主控芯片，AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
其引脚图如下所示：
图3引脚图
主要功能特性：
·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断·可编程UART串行通道
·2个外部中断源·共6个中断源
·2个读写中断口线·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能
4.2.3.执行模块
执行机构我们采用直流电机作为被控对象，直流电机是电机的主要类型之一。
一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于直流电机的启动性能好，具有良好的调速性能，运行稳定；直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑，而且直流电动机的过载能力较强，热动和制动转矩较大。
在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。
尤其是在调速性能要求较高的大型设备,比如轧钢机上都采用直流电动机拖动。
在本实验中直流电机的作用是：
根据电动机转动的快慢来反映煤气退火炉温度上升的快慢。
在0℃~400℃时，电动机快速转动打开供气阀门快速供气，使火炉在最短的时间内快速升温到400℃；从400℃~700℃为火炉的保温点，此时直流电机的转速将慢慢降低；当温度上升到700℃时，阀门供气量将会下降，使火炉进入保温阶段。
这时直流电机将停止转动
4.2.4.温度采集模块
在本次实验中用到的A/D转换器是ADC0808，其原理图及控制原理如下：
（1）①模拟量输入；②A/D转换器；③数据输出
图4ADC0808的原理框图
（2）引脚介绍：
：
主电源输入端。
REF（+）、REF（-）：
基准电源输入端，使用中REF（-）一般接地，REF（+）最大可接
，要求不高时，REF（+）接
的
电源。
GND：
模拟地数字地共用的接地端。
CLK：
时钟输入引脚，时钟频率范围
，典型值
，此时转换时间约为
。
：
8路模拟量单极性电压的输入引脚。
ADDA、ADDB、ADDC：
8选1模拟开关的三位通道地址输入端。
用来选择对应的输入通道，其对应关系如图9-4所示。
比如CBA=011，则选中
引脚的输入电压。
C、B、A通常与系统数据总线的
、
、
连接。
但也有与系统地址总线相连的，此种用法需小心处理端口地址的组织。
ALE：
为通道地址锁存允许选通控制端，输入上跳沿有效；它有效时，C、B、A的通道地址值才能进入通道地址锁存器，ALE下跳为低电平（无效）时，锁存器锁存进入的通道地址。
START：
启动A/D转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿后，ADC开始逐次比较；也可将START与ALE连接在一起使用，安排一个CPU写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（码）被写入通道地址锁存器，下降沿启动A/D转换。
EOC：
ADC转换状态输出信号引脚；未启动转换时，EOC为高电平，启动转换后，正在逐次逼近比较期间EOC为低电平，低电平持续时间为A/D转换时间，约
（与时钟频率有关），一旦转换完毕，EOC端上跳为高电平，此信号可供CPU查询或向CPU发中断。
：
8位数字量输出引脚，
为
（MSB），
为
（LSB），它是三态输出数据锁存器的输出引脚，未被选通时，8个引脚对片内均为高阻断开；因此可与系统数据总线
直接相连。
OE：
数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；它有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数字量各位被送到
引脚上；它无效时，
浮空（高阻隔离）；显然OE端必须设置一个CPU读数据的端口地址，未访问时，必须为低电平。
（3）公式
①单极性
图5ADC0808/9芯片的引脚图
②双极性
可见此系列ADC本身是单极性转换器，也可以通过外偏置电路方法，变成双极性输入电压的A/D转换器。
4.2.5.显示模块
本系统我们采用LCD液晶显示屏进行显示。
LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。
LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。
在系统中，LCD主要进行温度的显示。
本设计中我们选用LCD1602进行显示，下面是1602的管脚功能说明。
图6引脚说明
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线
VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚功能如下：
表1引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
4.3.元器件清单
表2器件清单
器件名称
个数
单片机
1
A/D转换器
1
D/A转换器
1
LCD1602
1
滑动变阻器
1
运算放大器
1
电流源
5
直流电动机
1
温度传感器
1
5.系统软件设计
5.1.软件流程图
图为软件流程图
7.总结
通过本次的课程设计，我受益匪浅。
不用说在其中学到的新知识是多么有价值，也不用说它拓宽了多少我的眼界，只是说它让我的能力得到的提高就已足以成为我努力付出的回报。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
虽然作的还不是很完善，但还是让我收获了很多的东西，在遇见问题的时候，应从总的方面找原因，不能一味的注意小环节，小环节再对大的方向不对也是没有意义的。
同时了解了很多的硬件知识。
很多涉及到实际问题时，感到了自己的知识的不足，完全不能满足需要。
对于硬件的使用很多都时在同学的知道下才完成的。
让我对学习的方向和方法有了新的认识。
8.参考文献
【1】于海生计算机控制技术北京:
机械工业出版社2007.5
【2】周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京:
化学工业出版社,2002.9
【3】徐科军.传感器与检测技术.北京:
电子工业出版社,2004.9
【4】谢建英.微型计算机控制系统.北京：
清华大学出版社，2004.
9程序：
9.1#include
voidLcd_WriteData（unsignedcharTempData）;
voidLcd_WriteCmd（unsignedcharTempData,unsignedcharBuysC）;
voidLcd_ReadStatus（void）;
voidLcd_Init（void）;//LCM初始化
unsignedcharLcd_ReadData（void）;
voidDisplayString（unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar*DData）;
voidDisplayOneChar（unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharDData）;
voidDelay（unsignedintdelaytime）;
sbitLcd_RS=P2^0;
sbitLcd_RW=P2^1;
sbitLcd_E=P2^2;
unsignedintdianya[11]={0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500};//0--5V
#defineLcd_DataP0
#defineDA_DataP3
//-------------------------------------------------------------------------
sbitST=P2^5;
sbitEOC=P2^6;
sbitOE=P2^7;
sbitCLK=P2^4;
#defineADC_OUTP1
//-------------------------------------------------------------------------
unsignedcharb;
unsignedinttemp;
unsignedchartable[3];
//==================DAC转换输出控制电热丝加热功率====================
voidDAConvert（unsignedlongintVoltage）
{Voltage=255*Voltage/500;
DA_Data=Voltage;}
//-------------------------------------------------------------------------
unsignedintADC0808（）;
//-------------------------------------------------------------------------
voidmain（void）
{
Lcd_Init（）;//lcd初始化
while
（1）
{
temp=ADC0808（）;
//temp=100;
table[2]=temp%10;
table[1]=（temp/10）%10;
table[0]=（temp/100）%10;
DisplayString（0,1,"T:
"）;
DisplayOneChar（10,1,table[0]+0x30）;
DisplayOneChar（11,1,table[1]+0x30）;//LCD显示测量值
DisplayOneChar（12,1,table[2]+0x30）;
DisplayOneChar（13,1,'C'）;
if（temp<=400）
DAConvert（dianya[9]）;
elseif（temp>400&&temp<=700）
DAConvert（dianya[5]）;
elseDAConvert（dianya[0]）;
}
}
unsignedintADC0808（）
{
unsignedintadc;unsignedlongintgetdata;
ST=0;OE=0;ST=1;ST=0;
while
（1）
{
CLK=~CLK;
if（EOC==1）break;
}//AD时钟脉冲
OE=1;
getdata=ADC_OUT;
OE=0;
adc=getdata*704/255;
//adc=adc;
return（adc）;
}
voidLcd_WriteData（unsignedcharTempData）
{
Lcd_ReadStatus（）;
Lcd_Data=TempData;
Lcd_RS=1;
Lcd_RW=0;
Lcd_E=0;
Lcd_E=0;
Lcd_E=1;
Lcd_E=0;
}
//写指令
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;
}
//读数据
unsignedcharLcd_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）;
}
voidLcd_ReadStatus（void）
{
Delay（100）;
}
voidLcd_Init（void）//LCM初始化
{
Lcd_Data=0;
Lcd_WriteCmd（0x38,0）;//三次显示模式设置，不检测忙信号
Delay（6000）;
Lcd_WriteCmd（0x38,0）;
Delay（6000）;
Lcd_WriteCmd（0x38,0）;
Delay（6000）;
Lcd_WriteCmd（0x38,1）;//显示模式设置,开始要求每次检测忙信号
Lcd_WriteCmd（0x08,1）;//关闭显示
Lcd_WriteCmd（0x01,1）;//显示清屏
Lcd_WriteCmd（0x06,1）;//显示光标移动设置
Lcd_WriteCmd（0x0C,1）;//显示开及光标设置
}
//按指定位置显示一个字符
voidDisplayOneChar（unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedcharDData）
{
Y&=0x1;
X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1
if（Y）X|=0x40;//当要显示第二行时地址码+0x40;
X|=0x80;//算出指令码
Lcd_WriteCmd（X,0）;//这里不检测忙信号，发送地址码
Lcd_WriteData（DData）;
}
//按指定位置显示一串字符
voidDisplayString（unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar*DData）
{
unsignedcharListLength;
ListLength=0;
Y&=0x1;
X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1
while（DData[ListLength]!
='\0'）//若到达字串尾则退出
{
if（X<=0xF）//X坐标应小于0xF
{
DisplayOneChar（X,Y,DData[ListLength]）;//显示单个字符
ListLength++;
X++;
}
}
}
voidDelay（unsignedintdelaytime）
{
while（delaytime--）;
}
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