微机控制课程设计报告煤气罩式退火炉温度控制系统.docx
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微机控制课程设计报告煤气罩式退火炉温度控制系统
微机控制课程设计
题目：
煤气罩式退火炉温度控制系统
摘要————————————————————————2
一、工艺要求—————————————————————2
二、系统分析及硬件设计————————————————3
1系统分析————————————————————3
（1）分析系统——————————————————3
（2）系统框图——————————————————5
（3）计算过程——————————————————5
2硬件选择————————————————————5
（1）CPU选型——————————————————5
（2）热电偶———————————————————5
（3）接口芯片——————————————————7
（4）A/D转换器—————————————————6
（5）LED显示——————————————————7
（6）键盘————————————————————8
（7）光电隔离——————————————————9
（8）执行器———————————————————9
三、程序设计—————————————————————10
（1）主程序—————————————————————10
（2）采样子程序———————————————————14
（3）滤波子程序———————————————————14
（4）显示子程序———————————————————16
（5）标度转换子程序—————————————————16
（6）键盘子程序———————————————————17
（7）数字控制器子程序————————————————19
四、总电路图—————————————————————24
五、课程设计总结———————————————————24
六、参考文献—————————————————————25
摘要
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。
其炉体结构如下图所示，它有内罩与外罩，在内罩内放入退火钢卷，并投入保护性气体防止氧化。
燃烧在内罩与外罩之间进行。
12个喷嘴分为上下两层，煤层六个环a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，其空然比不变。
炉温控制系统测点为保护性气体温度T1，目前工艺定为控制温度。
煤气和空气阀均为堞阀，由一台电动执行器通过连杆共同带动。
整个系统可以认为是以保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度（对应于煤气输入量）为输入的一个单输出单输入的温度控制系统。
系统模型
一、工艺要求
工业模型图
退火温度工艺要求温度在升温、保温过程中按一定的工艺曲线升温和保温，在此过程中，实际温度与给定工艺温度曲线的偏差不许超20℃,而降温过程为自由降温，温控系统不作起用。
在y1（400℃）温度内，保护气体温度在供气阀门开到最大情况下，以自由升温的速率在最短时间内升到y1（400℃），从y1（400℃）开始到y2（700℃）的保温点，温度按45--75℃/h的速率上升，此段为升温段。
到y2点，则开始进入保温段，以y2为恒值温度进行保温。
钢卷保温（t3--t2）后停火，进入降温段，在此段中温控系统停用。
微机自动调节：
正常工况下，系统投入自动。
模拟手动操作：
当系统发生异常，投入手动控制。
微机监控功能：
显示当前被控量的设定值、实际值、控制量的输出值、参数报警时有灯光报警。
二、系统分析及硬件设计
1.系统分析
（1）分析系统
煤气罩式退火炉温度控制系统的测点为保护性气体温度T1，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。
整个系统可以认为是保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度为输入的一个单输出单输入的温度控制系统。
大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即通常认为对象与一个零阶保持器相串联，相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是：
（2）系统框图：
（3）计算过程
传递函数：
闭环传递函数：
计算U（K）：
根据上式，求得U（z），进而离散化得到下式：
U（K）=6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）＋0.1144*U（K-1）+U（K-3）
2．硬件选择
（1）CPU选型
在本次设计中，我们采用了MCS-51单片机，MCS-51是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM，定时器/计时器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。
（2）热电偶
根据采样温度值的变化范围，传感器选择热电偶。
因为它测温范围广，可以在1℃至2800℃的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性好。
在系统中选用N型镍铬硅—镍硅热电偶传感器，其使用温度为－200℃～1300℃,它具有线性度好，热电式大，灵敏度高、稳定性好，抗氧化性，价格便宜等优点，所以，适合于本系统。
由于工业用炉体积比较大，会出现炉内温度不均状况。
为使采样系统更加准确的对温度进行采样，本系统设置了五个不同的采样点，在同一时刻进行采样，其平均值作为最后的采样的结果。
采样点位置分布图
热电偶电路图
（3）接口芯片
该系统的接口芯片采用8255并行接口芯片。
其中，B端口工作于0方式输出状态，A端口工作于0方式输入状态。
（4）A/D转换器
由于A/D转换采用ADC0809，为多通道AD转换器。
其工作为查询方式。
将转换结束信号EOC作为状态信号，经三态门接入数据总线最高位D7。
启动转换后，不断检测D7位是否为1，就可以知道转换是否结束。
状态断口的地址假设为238H。
利用ADC0809芯片中的多路开关，我们可以实现8个模拟信号的分时转换。
系统地址总线的低3位分别连接ADC0809的地址线C、B、A，在启动A/D转换的同时，选定要进行转换的模拟通道，对应8个模拟通道的I/O地址分别为220-227H。
（5）LED显示
系统六位LED静态显示，此种方式可以节省大量的机时。
地址译码得其地址依次为0178H、0179H、017AH、017BH、017CH、017DH。
74LS244为LED的驱动电路，每个LED有一个74LS377作为锁存器，芯片通过74LS138译码进行选择。
LED硬件图
（6）键盘
输入控制键盘采用8255接2×3键盘矩阵,采用软件延时去抖动方式。
键盘各部分的功能为：
1.打开：
系统各组成部分开始供电，并处于待机状态。
主程序开始反复扫描键盘，直到有键按下转到相应的功能。
2.关闭：
系统无处于任何状态开始断，步进电机处于断电前状态。
3.自动：
系统处于自动运行方式。
4.手动：
系统处于手动方式，在手动方式中系统不执行PID算法程序由人工来调整温度。
5.升温：
按下时温度阀门开始开到最大，温度开始升高。
6.降温：
按下时，阀门关闭，温度开始下降。
7.报警器:
全软件报警程序,被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数经传感器、变送器、模/数转换器，送到微型机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。
这种报警程序又可分简单上、下限报警程序，以及上、下限饱经处理程序。
PIO接口地址为A/D转换器8位数据输入口。
B口PB4,作为A/D转换的启动信号。
B口PB0－PB3分别作为上限、下限、正常情况及电笛报警信号。
其上限报警模型0F1H,下限报警模型0F2H，正常情况报警模型0F3H。
报警器电路连接图
（7）光电隔离
由于现场温度过高，为了抗干扰，或一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧毁器件，在驱动器与微型机之间加一极光电隔离器，其原理图所示。
光电隔离器图
（8）执行器
电动执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分，它接收来自调节仪表的电信号，用电动执行机构将其转换成适当地力或力矩，以推动各类调节阀（或其它执行机构），从而达到自动生产的目的。
电动执行器与气动执行器相比，具有动作灵敏，能源取用方便，信号传递快捷和适合远距离控制的优点。
它由执行机构和调节机构两部分组成，其中将调节控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动之行机构，各种调节阀或调节设备统称为调节机构。
三、程序设计
（1）主程序
程序流程图：
.程序:
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0003H
AJMPKEYS
ORG000BH
AJMPPIT0
ORG001BH
AJMPPIT1；中断入口及优先级
MAIN：
MOVSP，#00H
CLR5FH：
清上下限限越标志
MOVA，#00H
MOVR7，#09H
MOVR0，#28H
LP1：
MOV@R0，A
INCR0
DJNZR7，LP1
MOVR7，#06H
MOVR0，#39H
LP2：
MOV@R0，A
INCR0
DJNZR7，LP2
MOVR7，#06H
MOVRO，#50H
LP3：
MOV@R0，A
INCR0
DINZR7，LP3；清显示缓冲区
MOVTMOD，#56H；T0方式2，T1方式1计数
MOVTLO，#06H
MOVTHO，#06H
MOV25H，#2BCH；设定值默认值700
SETBTR0；键盘高优先级
SETBET0
SETBEX0
SETBEA；开键盘T0。
T1中断
LOOP：
MOVR0，#56H
MOVR1，#55H
LCALLSCACOV；标度转化
MOVR0，#53H
LCALLDIR
NOP
LCALLDLY10MS
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPLOOP；等中断
KEYS：
CLREX0；键盘子程序
CLREA
PUSHPSW
PUSHACC；关中断
LCALLDLY10MS；消抖
CC：
JBP3.2AA
SETB5DH；置“显示设定值温度值标志”
MOVA，25H；取运算位的值
MOVB，#10H；BCD码转化
DIVAB
MOV52H，A
MOVA,B
MOV51H,A
MOVR0,#50H
LCALLDIR;显示设定温度
NOP
LCALLDLY10MS
NOP
LCALLDLY10MS
JBP1.7,BB
MOVR1,#25H
LCALLDAAD1
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPCC
BB:
JBP1.6CC
MOVR1,#25H
LCALLDEEC1
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPCC
AA:
POPACC
POPPSW
SETBEX0
SETBEA;出栈
RETI
DAAD1:
MOVA,#00H
ORLA,@R1
ADDA,#01H
CJNEA,#17CH,DAAD2;超过380度了吗?
DAAD3:
MOV@R1,A
DAA:
RET
DAAD2:
JCDAAD3
MOV@R1,#2BCH;超过380则转回到700
AJMPDAA
DEEC1:
MOVA,@R1
DECA
CJNEA,#2A8H,DEEC2;低于680度了吗?
DEEC3:
MOV@R1,A
DEE:
RET
DEEC2:
JNCDEEC3
MOV@R1,#17CH;低于680则转回到380
AJMPDEE
PTT0:
CLREA；T0中断子程序
PUSHACC
PUSHPSW
PUAHDPL
PUSHDPH
SETBEA;压栈后开中断响应键盘
PPP:
LCALLSMAP；采样数据
LCALLFILTER;数字滤波
MOVA,2AH;取采样值
CJNEA,#17CH,AAA;下限380比较
AJMPBBB
AAA:
JCCCC;小于380度转
CJNEA,#2D0H,DDD;上限720比较
AJMPBBB;转至380~720正常范围处理
DDD:
JCBBB
CLRP1.2;大于720黄灯亮
SETB5EH
CLRP1.1;置标志启动风扇
AJMPPPP
CCC:
CLRP1.3;小于380红灯亮
SETB5FH
BBB:
CLRP1.0;置标志启动电炉
AJMPPPP
SETBP1.0
SETBP1.1
SETBP1.2
SETBP1.3
CLR5EH
CLR5FH;400~700之间正常
LCALLDL
JNB20H,EEF;设定温度小于实际值转到DL
MOVA,29H
LCALLFFF
CLRP1.0
LOOP10:
MOVR0,#56H;存放相乘结果的首址
MOVR1,#55H;赋显示缓冲区最高位地址
LCALLSCACOV；标度转化
MOVR0,#53H;赋显示首址
CLRDIR
JBD5H,LOOP10;等待T1中断
CLREA
POPDPH
POPDPL
POPPSW
SETBEA
POPACC
RETI
EEE:
MOVA,28H;DL处理
LCALLFFF
CLRP1.1
AJMPLOOP10
FFF:
CRLA;根据DL结果计算T1初值
INCA
MOVTL1,A
MOVTH1,#0FFH
SETBPI1
SETBTR1
SETBET1
RET
（2）采样子程序
程序清单
SWAP:
MOVR0,#20H
MOVR1,#03H
SAW1:
MOVDPTR,#7FF8H
MOVX@DPTRA；A/D转化
MOVR2,#20H
DLY:
DJNZR2,DLY;延时
HERE:
JBP3.3,HERE
MOVDPTR,#7FF8H
MOVXA,@DPTR;读转化结果
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR1,SAM1
RET
（3）滤波子程序
程序流程图
程序清单
FILTER:
MOVA,20H
CJNEA,2DHCMP1
AJMPCMP2
CMP1:
JNCCMP2
XCHA,2DH
XCHA,2CH
CMP2:
MOVA,2DH
CJNEA,22EH,CMP3
MOV2AH,A
AJMPRR
CMP3:
JCCMP4
MOV2AH,A
AJMPRR
CMP4:
MOVA,2EH
CJNEA,2CH,CMP5
MOV2AH,A
AJMPRR
CMP5:
JCCMP6
XCHA,2CH
CMP6:
MOV2AH,A
RR:
RET
（4）显示子程序
程序清单
DIR:
MOVSCON,#00H;置串行口移位寄存器状态
SETBP1.4;开显示
JB5DH,DL1;显示设定温度
DL2:
MOVDPTR,#SEGT
DL0:
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVSBUF,A
LOOP1:
JNBTI,LOOP1
CLRTI
INCR0
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
ANLA,#7FH；使数带小数点
MOVSBUF,A
LOOP2:
JNBTI,LOOP2
CLRTI
INCR0
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVSBUF,A
LOOP3:
JNBTI,LOOP3
CLRTI
CLRP1.4
CLR5DH
RET
DL1:
MOV50H,#0AH
AJMPDL2
SEGT:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH
（5）标度转换子程序
程序清单
SCACOV:
PROCNEAR
MOVDX,0
MOVDATA1,#258H
MOVDATA2,#708H
MOVDATA3,#960H
PROCNEAR
MOVDX,0
MOVAX,DATAP
CMPAX,DATA3
JAEQ3DOR
CMPAX,DATA2
JAEQ3-Q2
CMPAX,DATA3
JAEQ2-Q1
Q0:
MOVBX,0.8H
MULBX
ADCDX,0
JMPDONE
Q2-Q1:
MOVAX,#15EH
Q3-Q2:
SUBAX,DATA2
MOVBX,0.8H
MULBX
MOVAX,#15EH
SUBAX,BX
MOV@R1,A
PP:
RET
（6）键盘子程序
程序清单
KEYS：
CLREX0
CLREA
PUSHPSW
PUSHACC；关中断
LCALLDLY10MS；消抖
CC：
JBP3。
2AA
SETB5DH；置“显示设定值温度值标志”
MOVA，25H；取运算位的值
MOVB，#10H；BCD码转化
DIVAB
MOV52H，A
MOVA,B
MOV51H,A
MOVR0,#50H
LCALLDIR;显示设定温度
NOP
LCALLDLY10MS
NOP
LCALLDLY10MS
JBP1.7,BB
MOVR1,#25H
LCALLDAAD1
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPCC
BB:
JBP1.6CC
MOVR1,#25H
LCALLDEEC1
NOP
LCALLDLY10MS
AJMPCC
AA:
POPACC
POPPSW
SETBEX0
SETBEA;出栈
RETI
（7）数字控制器子程序
程序流程图
程序清单
此程序用PLC单片机语言实现：
大林算法程序该程序的功能是实现U（K）=6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）＋0.1144*U（K-1）+U（K-3）的迭代
入口：
E1为规格化数
出口：
OP1为规格化数
LISTP=16F877
INCLUDEP16F877.INC
ACCALOEQU20
ACCAHIEQU21
EXPAEQU22
ACCBLOEQU23
ACCBHIEQU24
EXPBEQU25
ACCCLOEQU26
ACCCHIEQU27
ACCDLOEQU28
ACCDHIEQU29
TEMPEQU2A
TEMP1EQU30
TIMESEQU31
SIGNEQU2B
COUNTEQU2F
ACCEHIEQU30
ACCELOEQU31
OP1LOEQU32
OP1HIEQU33
OP1EXEQU34;U（K）
OP2LOEQU35
OP2HIEQU36
OP2EXEQU37;U（K-1）
OP3LOEQU38
OP3HIEQU39
OP3EXEQU3AU（K-2）
OP4LOEQU3B
OP4HIEQU3C
OP4EXEQU3DU（K-3）
E1LOEQU3E
E1HIEQU3F
E1EXEQU40E（K）
E2LOEQU41
E2HIEQU42
E2EXEQU43E（K-1）
TEM1LOEQU44
TEM1HIEQU45
TEM1EXEQU46
TEM2LOEQU47
TEM2HIEQU48
TEM2EXEQU49
ORG0X000
STARTGOTODALIN
DALINMOVLW0XCA
MOVWFACCBLO
MOVLW0X37
MOVWFACCBHI
MOVLW0X03
MOVWFEXPB
MOVFE1LO,0
MOWFACCALO
MOVFE1HI,0
MOWFACCAHI
MOVFE1EX,0
MOWFEXPA；6.974*E（K）
CALLF_mpy;调用乘法子程序
MOVFACCBLO,0
MOVWFTEM1LO
MOVFACCBHI,0
MOVWFTEM1HI
MOVFEXPB,0
MOVWFTEM1EX；将积存入tem1
MOVLW0X01
MOVWFACCBLO
MOVLW0X33
MOVWFACCBHI
MOVLW0X00
MOVWFEXPB
MOVFE2LO,0
MOWFACCALO
MOVFE2HI,0
MOWFACCAHI
MOVFE2EX,0
MOWFEXPA；0.797*E（K-1）
CALLF_mpy;调用乘法子程序
MOVFTEM1LO,0
MOVWFACCALO
MOVFTEM1HI,0
MOVWFACCAHI
MOVFTEM1EX,0
MOVWFEXPA;6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）
CALLF_sub;调用加法子程序
MOVFACCBLO,0
MOVWFTEM1LO
MOVFACCBHI,0
MOVWFTEM1HI
MOVFEXPB,0
MOVWFTEM1EX；将6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）的和存入tem1
MOVLW0X92
MOVWFACCBLO
MOVLW0X3A
MOVWFACCBHI
MOVLW0XFD
MOVWFEXPB
MOVFE1LO,0
MOWFACCALO
MOVFE1HI,0
MOWFACCAHI
MOVFE1EX,0
MOWFEXPA；0.1144*U（K-1）
CALLF_mpy；调用乘法子程序
MOVFTEM1LO,0
MOVWFACCALO
MOVFTEM1HI,0
MOVWFACCAHI
MOVFTEM1EX,0
MOVWFEXPA;6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）＋0.1144*U（K-1）
CALLF_add;调用加法子程序
MOVFACCBLO,0
MOVWFTEM1LO
MOVFACCBHI,0
MOVWFTEM1HI
MOVFEXPB,0；将6.974*E（K）＋0.797*E（K-1）＋0.1144*U（K-1）
的和存入tem1
MOVWFTEM1EX
MOVLW0X2D
MOVWFACCBLO
MOVLW0X38
MOVWFACCBHI
MOVLW0X00
MOVWFEXPB
MOVFOP4LO,0
MOWFACCALO
MOVFOP4HI,0
MOWFACCAHI
MOVFOP4EX,0
MOWFEXPA；0.8856
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