渗碳炉温度控制系统设计资料.docx

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渗碳炉温度控制系统设计资料

1.绪论

1.1设计的背景和意义

人类的发展史是与金属材料的应用及其发展紧密相连的，特别是在近现代，金属材料在人类文明中更是占有非常重要的地位。

从军事领域到家用电器，从航空航天到水陆交通，金属材料在人类生产生活的各个领域都得到了非常广泛的应用。

可以说，没有各种性能符合要求的金属材料，人类社会现代文明的出现和发展是根本不可能的。

不同的应用领域对金属材料的性能要求也不一样，为了使金属材料获得所需要的性能，热处理技术在金属制品加工制造过程中发挥着重要的作用。

渗碳炉是热处理生产中应用较广的加热设备,而其加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术。

目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。

对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。

此种产品测温范围大都在-200℃~1000℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间，自带LED显示模块，显示4位到16位不等。

有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据，该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。

特别是伴随着单片机技术的发展，为研发好的渗碳炉温度控制系统提供了很好的条件，因此，设计渗碳炉温度控制系统具有十分重要的作用和意义。

1.2渗碳工艺概述

我国是世界上最早掌握金属热处理技术的国家之一。

到明代时，已经普遍使用了固体渗碳方法，同时也掌握了固体渗碳过程中的检验方法。

但是到了近代，我国的热处理技术与其他科学技术一样，长期落后于西方发达国家。

建国前（1949），我国仅有个别兵工企业有工业规模的热处理。

直到1950年中期，苏联援建的156个大型企业建成后，我国才有了初具规模的热处理车间和工段。

上世纪70年代末国家提出改革开放政策以来，我国投入大量资金从国外引进了各种先进的热处理技术、工艺和设备。

其中包括从英国、美国、日本和澳大利亚引进的用氧探头控制炉气碳势技术，从德国、加拿大和奥地利引进的Supercarb，HydroNitSensor，Nitrex渗碳渗氮技术。

1980年代以来，以汽车行业为代表，我国开始大规模地进行热处理生产技术改造，从国外引进大量先进技术和设备，使汽车工业热处理面貌为之一新。

围绕汽车工业的配件、紧固件、轴承、工模具等行业的热处理设备条件也大为改观。

1990年代后的航空和国防工业的迅猛发展也为热处理的技术改造创造了难得的机会，尤其是真空和可控气氛热处理设备在这两个行业的比重空前增加。

1995年以后，随着国家经济由计划经济向市场经济的转化，在华南、东南沿海地区，出现了大量民营的热处理专业厂。

虽然其中不乏资金充足、技术起点高、管理完善、发展迅速的佼佼者，但其中大多数的热处理企业规模小、生产条件较差、技术力量薄弱，有待逐步完善。

在工业上实际应用的热处理工艺，尽管其形式和工艺参数各不相同，但就其热处理的基本过程（即热作用过程）来说，无论哪一种热处理工艺，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。

根据热处理时外界对金属材料施加的基本作用（主要是热作用、化学作用和机械作用等）以及材料内部组织、结构和状态变化的特点，可将常用的热处理形式分为三类，即基本热处理、化学热处理和形变热处理。

化学热处理是一种对金属制件综合地施以热作用和化学作用的热处理形式。

在一般情况下，它是将放置在活性介质中的金属制件加热至一定的温度，使活性介质中的某些元素（金属或非金属）渗入制件的表层，以改变表层的成分和组织。

有时，在一定的外界条件下（例如真空）化学热处理也可以借助于高温时金属制件内部元素的逸出，以去除制件中的某些有害杂质。

其中应用最广泛的是以金属或非金属（特别是非金属元素）渗入金属制件表层的处理工艺。

化学热处理时，渗入元素进入制件表层通常包括如下三个基本过程，即分解、吸收和扩散。

这是三个相对独立、交错进行而又互相配合、互相制约的过程。

为使钢件表面和心部具有不同的机械性能或物理化学性能，钢制零件生产过程中较常用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

渗碳就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温（一般为900℃～950℃），使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。

随后经淬火和低温回火，使钢件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。

根据渗碳方式的不同，可分为固体渗碳，气体渗碳与液体渗碳，其中以气体渗碳应用最为普遍。

1.3渗碳炉简介

渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。

由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，该系列渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。

:

本系列渗碳炉由炉壳、炉衬、炉盖升降机构、炉用密封风机、马弗罐、加热元件及电控系统等组成。

炉壳由钢板及型钢焊接而成。

炉衬是由0.6g/cm3高强度超轻质节能耐火砖、硅酸铝纤维、硅藻土保温砖及石棉板砌筑而成的节能型复合结构。

炉盖升降机构由电机、齿轮泵等部件组成，当开启炉盖时，只需按下控制箱上的按钮，炉盖即以30—70毫米／秒的速度上升。

为安全起见，在升降轴上装设有两个行程开关，当炉盖上升时，下部行程开关自动切断渗碳炉控制柜主回路电源，使加热元件断电停止工作，上部行程开关则限制升降轴升起的高度，以防升降抽升起过高而脱出。

炉用密封风机装在炉盖上，供搅拌马弗罐内的气氛并使之成分均匀，同时使炉温趋于均匀。

在炉盖上还装有三根工艺管通向炉膛马弗罐内:

一根套管顶端安装三头不锈钢滴注器，由三头滴注器向炉内墒注甲醉，煤油或其它有机液体，各种液体均可调节，该套管上的氨气孔可用来向炉内输送氨气作碳、氮共渗之用（不渗氮时可将此管口封闭）；一根套管为取样管，该套管上部的一管接头可与“U”型玻璃管压力计连接，用来监视炉马弗罐的作用是维护炉压，保证渗碳或碳、氮共渗的正常进行，它由耐热钢制成（铸件）。

加热元件由电热合金丝绕成螺旋状，安装在炉衬内壁上，并通过引出捧引出炉外，渗碳炉温度由插入炉膛的热电偶，通过补偿导线将信号传送给自动控温柜，控温柜自动控制、调节并记录炉内的加热温度。

渗碳炉配有冷却桶（选配），用来存放处理后的零件，桶盖上设有砂封槽。

1.4本设计的任务

钢制零件的渗碳工艺受到多种因素的影响，若控制不当，会造成渗碳层过厚、渗碳不足等缺陷，导致钢制零件的性能不能达到应用要求。

采用传统手动调节方式控制渗碳过程，不但对操作员的技术水平与经验有较高要求，而且碳势控制精度不高，渗碳质量很不稳定，既浪费社会及企业资源，又增

加了企业的生产成本。

我国目前有大量的热处理企业单位及设备，但大多数处理设备和工落后，不仅能耗大，污染严重，而且设备的可靠性差，自动化程度低，生产质量不稳定。

对原有设备进行技术改造，实现渗碳工艺的自动化控制，是在资金有限的情况下，提高钢制零件渗碳质量与企业生产效率，降低企业生产成本的有效途径。

本设计针对目前在我国使用较为广泛的滴注式井式渗碳炉，研制开发一种低成本智能型碳势控制仪表，在控制成本的同时，实现渗碳系统的自动化改造。

基本技术指标及设计功能要求有：

1、温度检测精度：

±1℃

2、LED显示：

6位动态显示

3、报警功能：

超温报警

4、要求炉温均匀性小于等于3℃

2设计框架和方案论证

2.1方案论证与比较

本系统主要由温度传感器和主控部分组成，以达到温度采集和控制的目的。

2.1.1温度传感器

温度检测是本系统最为重要的环节之一，温度检测值的正确与否直接关系到系统的控制稳定性和准确性，对系统的整体效果影响很大。

温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。

通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时，受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。

非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

本系统应用在清洗槽低温度值的测量，测量准确度要求较高，故选择接触式的温度传感器。

经常用到的接触式温度检测仪器有，热电阻、热电偶、集成温度传感器电流型电压型传感器等。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

（1）测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

（2）测量范围广。

常用的热电偶从-50～+1600°C均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269°C（如金铁镍铬），最高可达+2800°C（如钨-铼）。

（3）构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

Ｋ型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。

目前，在以Ｋ型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。

中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。

在铝水平温度测量仪的研制中，我们采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。

2.1.2主控制部分

方案一：

PC机

此方案采用PC机实现。

它具有可在线编程、在线仿真的功能，这就使调试变得简单，且人机交互友好。

需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试较为繁琐，很不方便。

而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦。

方案二：

应用逻辑电路

应用逻辑电路实现系统的功能控制方案，可以不编制软件进行的控制，直接应用硬件实现，系统的可靠性比较好。

但是这种方案电路太复杂，实现起来不方便，功能有限。

方案三：

单片机

基于单片机进行系统控制，这种方案弥补了上述的不足。

单片机具有：

可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储容量较小，除此之外，还有集成度高、体积小、性价比高、应用广泛、易于产品化等特点。

并且单片机价格便宜，利于市场的广泛推广。

综上分析比较，选用单片机AT89C51。

2.1.3显示模块的选择

方案一:

采用LED数码管显示.其优点在于它能在低电压,小电流的条件下发光,能与CMOS,TTL电路兼容；发光响应时间短（<0.1秒）,高频特性好,单色性好,亮度高，体积小,抗冲击性能强等。

以上优势使得LED广泛运用于数字仪器、数控装置、计算机等显示部件中。

方案二:

采用LCD液晶显示。

LCD的工作电流比LED小几个数量级，故功耗很低；尺寸小，厚度约为LED的1/3;字迹清晰、美观、使用方便；编程简单，信息量大,但价格较贵。

在本设计中,考虑到价格，采用LED显示。

2.1.4电源模块

方案一:

采用电池（1.5V×3）。

这样供电很简单,而且组成系统时,占用的空间小;但供电的功率较低,内阻较大。

运行单片机系统的时候，因为其要求的电流较大，可能会造成单片机程序跑飞，复位等异常现象，严重时会造成系统死机。

方案二:

采用主要由三端稳压片78L05构成的电源。

提供+5V电压。

这种电源与前者相比较为复杂,但是其带负载能力明显强于前者,在单片机系统中得到了广泛的应用。

本系统直接采用三端稳压片78L05构成的电源。

2.2总体设计方案

本设计总体方案原理框图如图2-1所示。

图2-1设计总体方案原理框图

热电偶作为温度传感器，其将温度信号送入单片机，最后单片机将转换后的二进制值进行处理，转换成温度值，通过与设定的温度值的比较，进行相应的声光报警，同时根据温度值的变换控制继电器的吸合以带动升温装置和降温装置发生相应动作，当要启动升温装置或降温装置时，单片机的输出口向三极管基极端输出电流，使三极管导通以使驱动继电器吸合。

3、系统硬件设计

3.1单片机最小系统

3.1.1单片机简介

8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

不过89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能【6】。

AT89S51主要由中央处理器、存储器、片内并行口、定时器/计数器、串行口、中断系统构成。

AT89S51主要性能：

●技术全兼容51系列；

●4KBFlashROM，并且可以在线编程；

●工作电压位4～505V；

●工作频率0～22MHz；

●128位RAM；

●32个I/O口；

●2个16位定时器/计数器；

●具有6个中断源；

●全双工UART；

●双数据指针；

●可编程串行通道；

●低功耗的闲置和掉电模式；

●片内振荡器和时钟电路；

●据有多种封装方式。

3.1.2单片机时钟电路

本设计的时钟电路如下图所示：

图3-1时钟电路

单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的.而片内的时钟产生有两种：

内部时钟方式和外部时钟方式。

在本设计中我们采用内部时钟方式，片内高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈原件的晶体与电容组成的并联谐振回路，构成一个自激震荡器向内部时钟电路提供震荡时钟。

震荡器的频率取决于晶体的震荡频率，电容C1、C2的值有微调作用，我们设定为30PF【7】。

3.1.3单片机复位电路

本设计的复位是靠外部实现的，如下图所示：

图3-2复位电路

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。

单片机的RST引脚是复位信号的输入端【8】。

3.2MAX6675测温电路设计

3.2.1MAX6675特性

　　MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成Ｋ型热电偶变换器，测温范围0℃～1024℃，主要功能特点如下：

　　n     直接将热电偶信号转换为数字信号

　　n     具有冷端补偿功能

　　n     简单的SPI串行接口与单片机通讯

　　n     12位A/D转换器、0.25℃分辨率

　　n     单一+5V的电源电压

　　n     热电偶断线检测

　　n     工作温度范围-20℃～+85℃

3.2.2引脚功能

MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）

接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。

在VCC和GND之间接0.1μF电容。

MAX6675的引脚如图1所示。

3.2.3工作原理

MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图2所示。

主要包括：

低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。

其工作原理如下：

K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。

。

对于K型热电偶，电压变化率为（41μV/℃），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。

　　U1=（41μV/℃）×（T-T0）

上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。

在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。

通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。

　　U2=（41μV/℃）×T0

在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。

这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。

3.2.4MAX6675与单片机的通讯

MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。

MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：

单片机使CS置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。

CS变低将停止任何转换过程，CS变高将启动一个新的转换过程。

将CS变低在SO端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1个输出位是D15，是一伪标志位，并总为0；D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；D2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；D1位为低以提供MAX6675器件身份码，D0位为三态标志位。

　　MAX6675SO端输出温度数据的格式如图3所示。

3.3显示电路设计

显示电路如图所示。

图3-11温度显示电路

本系统使用6位共阴极数码管对信息进行显示。

段码是公共的，段选端即为两位的接地端，CD4511作为七段式数码管的驱动，采用动态扫描的方式对两位的数值进行显示。

动态扫描即，LED在进行显示时，对所显示的数字，在一定的时间内会保持住，当第一位进行显示后，选通第二位的显示。

如果选通的频率对人的眼睛来说是无法区分的，那么，所看到的数字在视觉上是连续的。

3.4报警电路设计

报警电路如图3-12所示。

采用5V蜂鸣器，配合红色发光二极管，组成声光报警系统。

当温度超过所设定的上下限时，进行声光报警，提高系统的安全性。

图3-12报警电路图

3.5控温电路设计

控温电路如图所示，分别为降温和升温电路图。

图降温电路图

图升温电路图

本部分采用两个AC380V/DC5V继电器，分别连接升温装置—500W加热棒（外接380V交流电源），降温装置—AC380V电风扇，并且分别由单片机的P2.2口和P2.3口控制。

当温度超过高限时，其中连接降温装置的继电器吸合，电风扇工作；当温度超过低限时，连接升温装置的继电器吸合，加热棒工作；当温度处于正常温度范围内时，继电器断开，不工作，整个电路处于恒温状态。

在利用单片机对继电器进行控制时，因为单片机的带负载能力非常有限，所以，需要用三极管作为驱动。

DC5V继电器的高电平驱动电流为70mA，选择三极管8050放大倍数为200倍，要求单片机输出给基极的电流计算可得：

三极管所需基极电流=70mA/200=0.35mA

本系统用P2口提供三极管基极电流，P2口能提供的电流略大于0.4mA，能够满足需要。

3.6键盘电路的设计

为了实现各部分功能的输入，设计了一下键盘控制电路。

每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。

3.7电源电路设计

在系统工作的过程中，需要提供电源供电，本设计采用由三端稳压片78L05构成的电源，提供+5V电压。

这种电源虽然比较复杂,但是其带负载能力增大，可以为电机和显示电路提供很强的带负载的能力。

由电路可以看出，市电220V经过变压器T变压为12V交流电压，通过4只二极管1N4004全桥整流后，再经过电容C滤波后得到光滑的直流电压，经过三端稳压器7805稳压后得到稳定的+5V电压给各器件供电。

3.9系统总体设计电路图

系统总体设计电路图如附录

所示。

4、系统软件设计

单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。

与系统机上操作系统支持下的纯软件不同,单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的,而且随应用系统的不同而不同。

在软件中一般需考虑以下几个方面：

1）根据要求确定软件的具体任务细节,然后确定合理的软件结构。

一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成,详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务,确定各个中断的优先级。

主程序是一个顺序执行的无限循环的程序,不停地顺序查询各种软件标志,以完成对事务的处理。

在子程序和中断服务程序中,要考虑现场的保护和恢复,以及它们和主程序之间的信息交换方法。

2）程序的结构用模块化结构,即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计,以便于调试。

具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。

3）在进行程序设计时,先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系,即建立数学模型,然后绘制流程图,再根据流程图用汇编语言进行具体程序的编写。

4）在程序设计完成后,利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编,生成程序的机器码。

因此，在设计洗衣机智能控制系统的过程中，采用的是模块化程序设计。

4.1软件设计的原则

应用系统中的应用软件是根据系统的功能要求而设计的，应首先可靠的实现系统的各种功能。

应用系统虽然很多，功能千差万别，但是软件设计也具有其应该遵守的原则：

（1）软件结构清晰、简洁、流程合理。

（2）各功能程序实现模块化、系统化。

这样，既便于调试、连接，又便于移植、修改和维护。

（3）程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约存储容量，又能给程序设计与操作带来方便。

（4）运行状态实现标志化管理。

各个功能程序运行状态、运行结果以及运行需求都设置状态标志以便于查询，程序转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。

（5）经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。

规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化、标准化打下基础。

（6）实现全面的软件抗干扰设计。

软件抗干扰是单片机应用系统提高稳定、可靠性的有力措施。

4.2系统软件流程图

系统软件流程图如图4-2所示。

图4-2系统软件流程图

4.3单片机I/O口地址分配

程序设计之前必须对I/O口进行分配，再根据I/O口的分配情况编写程序单片机提供了32个通用的I/O口，本系统的I/O口分配，如表4-1所示。

表4-1单片机I/O口地址分配

I/O口地址

功能说明

P0.0～P0.7

ADC0809八位转换数据输入口

P2.7

提供ADC00809数模转换启动脉冲信号

P2.0、P2.1

数码管显示十位和各位数字的选择端，低电平有效

P1.0～P1.3

CD4511四位BCD码输出口

P2.2～P2.3

分别为连通电风扇继电器和加热棒继电器的控制端，高电平有效

P3.0～P3.2

分别为指示灯红、绿、黄灯的控制端，低电平有效

P2.4

声光报警，低电平有效

4.4温度测量程序设计

温度测量是渗碳炉温度测量过程的最后一个环节，在系统测量完铝水平后，开始进行温度测量，这一部分程序作为一个独立的程序段，定时调用，主要包括MAX6675数据读取、开路判断、数据处理和码制转换等几个部分，下面给出MAX6675温度值读取程序设计：

　　；温度值读取程序

　　；位定义

　　CS  BITP1.0   ；数据输入

　　SCK    BITP1.1   ；片选

　　SO BITP1.2   ；时钟

　　；数据字节定义

　　DATAH