退火炉温度控制系统
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课 程 设 计
设计题目： 退火炉温度控制系统
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- 1 - 摘 要
退火炉是金属热处理中的重要设备，它把压力容器加热到一定温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。其目的在于消除压力容器的整体压力。提高压力容器的使用寿命。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。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。
本文以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，包括硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括温度检测模块，按键模块，执行模块，LED显示模块，单片机最小系统。本设计要求采用电热丝加热，通过A/D转换将采集到的温度数据输入单片机中，与系统给定值比较，从而对退火炉的温度进行控制，通过按键输入控制信号，三位LED显示炉温。最后设计出最少拍无纹波控制器，通过MATLAB仿真检验是否有纹波。
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目 录
第1章 绪论 ................................................................ 3
1.1 设计背景 ..................................................... 3
1.2 设计算法 ..................................................... 3
第2章 课程设计的方案 ................................................... 5
2.1 概述 ......................................................... 5
2.2 系统组成总体结构 ............................................. 5
第3章 硬件设计 ........................................................... 7
3.1 单片机最小系统设计 ........................................... 7
3.1.1 单片机选择 ............................................. 7
3.1.2 时钟电路设计 ........................................... 8
3.1.3 复位电路设计 ........................................... 9
3.2 温度检测部分 ................................................ 10
3.3 按键控制电路 ................................................ 12
3.4 LED显示模块 ............................................. - 13 -
3.5 温度控制电路 ............................................. - 14 -
第4章 软件算法 ...................................................... - 16 -
4.1 程序框图 ................................................. - 16 -
4.2 算法设计 ................................................. - 17 -
第5章 系统仿真 .......................................................... 20
第6章 课程设计总结 ................................................ - 21 -
- 3 - 第1章 绪论
1.1 设计背景
退火炉是冶金和机械行业常用的热处理工业设备。一般说来，退货处理工艺师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，同时保证颅内各处的温度均匀。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%。
退火是金属热处理中的重要工序，它是将金属缓慢加热到一定温度，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工件软化，改善其塑性和韧性，使其化学成分均匀化，并去除其参与应力，或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。智能温控将大大提高热处理质量，消除认为的不稳定因素，提高温度控制的精确程度，满足特殊材料的热处理要求。
同时，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有效控制，使燃烧在合理的空燃比下运行，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现实意义。
1.2 设计算法
在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最少拍控制是满足这一要求的一种离散化设计方法。
最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，是系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。
闭环Z传函具有形式
- 4 - zzzzNN221)(1
在这里，N是可能情况下的最小整数。这一传函形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内达到稳态。
- 5 - 第2章 课程设计的方案
2.1 概述
本文提出了一种基于最少拍的退火炉温度控制系统设计方案，实现对退火炉的温度控制。退火炉采用电热丝加热，通过巡回检测退火炉内温度，根据测量到的温度采样值与系统给定值进行比较来决定是否启动电热丝加热，用单片机作为控制器，设计出最少拍无纹波控制器，4个键盘进行温度控制值的选择，三位LED显示炉温。
2.2 系统组成总体结构
退火炉计算机控制系统框图如图2.1所示
图2.1 利用单片机设计结构框图
退火炉使用电热丝加热，温度范围为0~1000摄氏度，炉内温度值经热电偶检测后，经变送器变成0~5V范围内的电压信号送A/D转换器转换成对应的数字量。数字量经数字滤波后送入CPU作为本次采样值。把测量到的温度值与设定值进行比较来决定是否启动电热丝加热。
本次设计的退火炉计算机控制系统系统包括5大部分，即核心控件（89C51主控模块），复位电路，温度检测，按键，LED显示电路。主控模块，具有控制功能，主要由AT89C51单片机组成，是退火炉温度控制系统的核心。温度系统
AT89C51
单片机 三位LED显示电路
按键电路 驱动电路
D/A转换器 温度检测 A/D转换
电热丝
- 6 - 是受控模块，由D/A转换器和电热丝组成。主控模块上设有4个按键和3个LED显示器，可以通过按键控制温度并通过LED数码管显示。复位开关连接控制器的RST端，实现复位控制。
- 7 - 第3章 硬件设计
3.1 单片机最小系统设计
3.1.1 单片机选择
本次设计选择AT89C51。
（1）AT89C51单片机硬件结构：
AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可变成可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and
Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改变程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。
（2）管脚说明：
VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。
GND(20):接地。
P0端口（P0.0-P0.7）:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据、地址的第八位。再LFASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能够接收4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。再FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电
