1、煤气退火炉控制系统设计教材1. 设计内容.13. 控制系统的设计.69.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
2、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4575/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：
3、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CMOS 8位单片机，而且可编程性好。（2）
4、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0750，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-200350，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
5、/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4050/秒，垂直可达1024/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（040
6、0）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（400700）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4575/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。
7、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CMOS 8位单片机，片内含
8、8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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
9、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）Flash ROM 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
10、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0400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400700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
11、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）模拟量输入； A/D 转换器；数据输出 图4 ADC0808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。 ADD A 、 ADD B 、 ADD C ： 8 选 1 模拟开关的三位通道地址输入
12、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 CP
13、U 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
14、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 单极性 图5 ADC0808/9 芯片的引脚图 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Liquid Crystal Display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
15、，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1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0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）。4RSRS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
16、寄存器。5R/WR/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。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极4.3.元器件清单表2 器件清单器
17、件名称个数单片机1A/D转换器1D/A转换器1LCD16021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15.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，
18、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 void Lcd_WriteData(unsigned char TempData); void Lcd_WriteCmd(unsigned char Tem
19、pData,unsigned char BuysC); void Lcd_ReadStatus(void); void Lcd_Init(void); /LCM初始化 unsigned char Lcd_ReadData(void); void DisplayString(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData); void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData); void Delay(unsigned int delayt
20、ime); sbit Lcd_RS=P20; sbit Lcd_RW = P21; sbit Lcd_E = P22; unsigned int dianya11=0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500;/0-5V #define Lcd_Data P0 #define DA_Data P3 /-sbit ST=P25;sbit EOC=P26;sbit OE=P27; sbit CLK=P24;#define ADC_OUT P1/-unsigned char b;unsigned int temp;unsigned char table3; /=D
21、AC转换输出控制电热丝加热功率=void DAConvert(unsigned long int Voltage)Voltage=255*Voltage/500; DA_Data=Voltage; /-unsigned int ADC0808(); /- void main(void) Lcd_Init(); / lcd初始化 while(1) temp=ADC0808(); /temp=100; table2=temp%10; table1=(temp/10)%10; table0=(temp/100)%10; DisplayString(0,1, T:); DisplayOneChar(1
22、0,1,table0+0x30); DisplayOneChar(11,1,table1+0x30);/LCD显示测量值 DisplayOneChar(12,1,table2+0x30); DisplayOneChar(13,1,C); if(temp400&temp=700) DAConvert(dianya5); else DAConvert(dianya0); unsigned int ADC0808() unsigned int adc; unsigned long int getdata; ST=0; OE=0; ST=1; ST=0; while(1) CLK=CLK ; if(E
23、OC=1) break; /AD时钟脉冲 OE=1; getdata=ADC_OUT; OE=0; adc=getdata*704/255; / adc=adc; return(adc);void Lcd_WriteData(unsigned char TempData) 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void Lcd_WriteCmd(unsigned char TempData,unsigned cha
24、r BuysC) 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unsigned char Lcd_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);void Lcd_ReadStatus
25、(void) Delay(100);void Lcd_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)
26、; / 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void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData) 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void D
27、isplayString(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData) unsigned char ListLength; ListLength = 0; Y &= 0x1; X &= 0xF; /限制X不能大于15，Y不能大于1 while (DDataListLength!=0) /若到达字串尾则退出 if (X = 0xF) /X坐标应小于0xF DisplayOneChar(X, Y, DDataListLength); /显示单个字符 ListLength+; X+; void Delay(unsigned int delaytime) while(delaytime-);
