【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 30 致 謝 ................................................................................................................................... 31 附錄 Ⅰ 系統(tǒng)原理圖 .......................................................................................................... 32 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題研究背景與意義 熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來隨著 社會(huì) 的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展。反應(yīng)爐是熱處理技術(shù)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的 加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)對(duì)均溫過程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制加熱加工工藝過程的方法。 反應(yīng)爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 反應(yīng)爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能并借助輻射與對(duì)流的傳熱方式加熱工件。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝。根據(jù)目的不同，將材料及其制件加熱到適宜的溫度，保溫，隨后用不同的方法冷卻，改 變其內(nèi)部組織，以獲得所要求的力學(xué)性能，通過熱處理可以提高制件的使用效能和壽命。 目前我國反應(yīng)爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進(jìn)和大部分比較落后的設(shè)備并存。整體上，我國的反應(yīng)爐控制系統(tǒng)與國外發(fā)達(dá)國家相比還比較落后。占主導(dǎo)地位的是儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專門的儀表調(diào)試人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不準(zhǔn)確?？刂凭纫蕾囉谠囼?yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。因而，對(duì)生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低 ，這些都影響了企業(yè)的效益。近年來，雖然引進(jìn)了國外的一些控制器，如日本島的 R 四 3 型 40段 (步 )可編程 PID 調(diào)節(jié)器，全部操作窗口按功能分為 6 個(gè)窗口群，共 95 個(gè)子窗口，其設(shè)置仍然繁雜。 隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理設(shè)備的控制精度越來越重要，而溫度對(duì)于熱處理工件質(zhì)量具有重要影響，因此爐溫控制顯得尤為重要。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自 1980 年以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)化控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是控制方面在智能化，自適應(yīng)，參數(shù) 自整定等方面取得顯著成果。在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國家技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)除了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 控制儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 其特點(diǎn)是適應(yīng)于大慣性，大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)，具有參數(shù)自整定功能個(gè)自學(xué)習(xí)功能，即溫控器對(duì)控制對(duì)象、控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定，并根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外溫度控制儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。 微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用， 在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對(duì)象動(dòng)靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下，控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質(zhì)指標(biāo)，這是自適應(yīng)控制的最基本特證，自適應(yīng) PID控制可在在線不斷整定參數(shù)，克服干擾，跟蹤系統(tǒng)的時(shí)變特性，使控制對(duì)象達(dá)到一定的目標(biāo)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制理論（諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）研究和應(yīng)用的發(fā)展和深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑，逐步弱化或取消了對(duì)受控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)不變的限制。 電阻爐溫控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最憂控制、自適應(yīng) 控制，在發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。 目前我國在測(cè)控儀表研究與生產(chǎn)應(yīng)用中，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及測(cè)溫儀表來說，總體發(fā)展水平仍然不高。成熟產(chǎn)品主要以 “點(diǎn)位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)測(cè)控，難以控制復(fù)雜的大滯后時(shí)變溫系統(tǒng)。目前，我國在溫度控制儀表業(yè)與國內(nèi)外的差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，制約技術(shù)發(fā)展。 （ 2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國內(nèi)外差距較大。目前國內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)太多采用進(jìn)口溫度控制儀表。 （ 3）儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于我國開發(fā)上的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠地自整定軟件，控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距我們必須努力克服。 由于一般的爐溫控制系統(tǒng) 是參數(shù)時(shí)變、非線性、大滯后系統(tǒng)，在許多應(yīng)用實(shí)例中已證明， PID 算法 控制 在對(duì)電加熱爐溫進(jìn)行控制時(shí)都有一定的效果，在 不同方面克服系統(tǒng)時(shí)滯性、非線性帶來的影響， PID 控制器，既考慮了抗擾性又考慮到跟蹤性，獲得了良好的控制效果。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 設(shè)計(jì)要求 對(duì)化工合成裝置的溫度進(jìn)行檢測(cè)，并按工藝要求控制最高加熱溫度。 在升溫階段，控制合成裝置的溫度以每小時(shí) 15℃ 的速率上升 。 加入觸媒后的溫度采用恒值控制。前期為 370℃ ，中期為 380℃ ， 后期為 390℃ 。控制精度為 177。3 ℃ 。 最高 溫度連續(xù)三次達(dá)到 400℃ 時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。 顯示檢測(cè)溫度。 留有擴(kuò)充余地，以實(shí)現(xiàn)多回路控制。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)加熱爐的功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從 元 件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用 AT89S51 單片機(jī)為主控 機(jī)，通過連接外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的測(cè)量和控制。 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示。 進(jìn) 料 口出 料 口控 制 系 統(tǒng)加 熱 絲溫 度 顯 示溫 度傳 感器 圖 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 爐溫控制系統(tǒng)由溫度檢測(cè)電路、加熱控制電路、電源電路、溫度顯示電路、報(bào)警等電路組成?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)原理框圖 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 首先系統(tǒng)啟動(dòng)后由 K 型熱電偶對(duì)反應(yīng)爐溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng) 過 MAX6675 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號(hào)與反應(yīng)爐設(shè)定的階段溫度進(jìn)行比較，如果測(cè)量溫度小于設(shè)定溫度，單片機(jī)將輸出加熱脈沖信號(hào)，控制反應(yīng)爐溫度按照 15℃ /小時(shí)的速率上升并且點(diǎn)亮加熱指示燈；如果測(cè)量溫度在設(shè)定溫度的保溫范圍之內(nèi)，反應(yīng)爐進(jìn)入保溫狀態(tài)，點(diǎn)亮保溫指示燈；如果測(cè)量溫度連續(xù) 3 次超過 400℃ ，系統(tǒng)將蜂鳴報(bào)警，并且點(diǎn)亮報(bào)警指示燈。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 爐溫控制系統(tǒng)硬件電路原理圖見附錄 Ⅰ 所示，以下是各個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)模塊分別介紹。 微處理器 在總體方案確定之后，首要的任務(wù)是選擇一臺(tái)合適的微型計(jì)算機(jī)。雖然現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)種類很多，但是所選的微型計(jì)算機(jī)必須符合本次設(shè)計(jì)的具體要求。 單片微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)很重要的分支，自問世以來，以其極高的性價(jià)比，收到人們的重視和關(guān)注，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。相對(duì)而言，單片機(jī)體積小，重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，并且價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好，開發(fā)較為容易。目前，在我國，單片機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動(dòng)檢測(cè)、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個(gè)方面 。 本次設(shè)計(jì)的溫度控制系 統(tǒng)精度較高，需要的 I/O 接口也比較多，因此采用 AT89S51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。 AT89S51 是一個(gè)低電壓，高性能 COMS 8 位單片機(jī) [1]， 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外部中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)全雙工串通行口。片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM),可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)， 片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51提供了高性價(jià)比的解決方案。因此此單片機(jī)完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。其引腳如圖 所示。 AT89S51 的主要特性如下： ? 壽命達(dá) 1000 寫 /擦循環(huán) ? 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ? 全靜態(tài)工作： 0Hz33Hz ? 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 ? 1288 位內(nèi)部 RAM 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ? 32 可編程 I/O 線 ? 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ? 6 個(gè)中斷源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 的工作電壓范圍 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 圖 AT89S51 引腳圖 AT89S51 單片機(jī)的引腳功能： 1. 主電源引腳 GND 和 VCC GND：接地。 VCC：主電源 +4～ +。 2. 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 XTAL1：接外部晶體的一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。在采用外時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘振蕩信號(hào)直接送入此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。 XTAL2：接外部晶體的另一端。它是片內(nèi) 振蕩器反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，此引腳應(yīng)懸空不用。 3. 控制信號(hào)引腳 RST、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 EA /VPP ? RST：復(fù)位輸入端。在該引腳輸入 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ? ALE/ PROG ：地址鎖存允許輸出 /編程脈沖輸入端。這個(gè)引腳具有 2 種功能。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 作為鎖存擴(kuò)展地址 低位字節(jié)的輸出控制信號(hào)（稱允許鎖存地址）。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該端也以六分之一的時(shí)鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時(shí)或其他需要使用。 ALE 端得負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為 8 個(gè) LSTTL（低功耗高速 TTL）。在片內(nèi)存儲(chǔ)器編程（固化）時(shí)，此引腳用于輸入編程脈沖，此時(shí)為低電平有效。 ? PSEN ：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)端。在訪問片外程序存儲(chǔ)器取指令期間，PSEN 信號(hào)在 12 個(gè)時(shí)鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。 PSEN 端同樣可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 ? EA /VPP：為內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器選擇 /編程電源輸入端。這個(gè)引腳具有 2 種功能。 當(dāng) EA 端接高電平時(shí)， CPU 從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?4KB 時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序；當(dāng) EA 端接低電平時(shí)， CPU 僅訪問片外程序存儲(chǔ)器，即 CPU 直接從片 外存儲(chǔ)器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。 4. 輸入 /輸出引腳（ P0、 P P2 和 P3 端口引腳） ? ~： P0 口的 8 位 I/O 端口。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)，故這些 I/O 線有地址 /總線之稱，簡寫做 AD0~AD7。在不做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。 在對(duì)程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，從 P0 輸入指令字節(jié)；在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)驗(yàn)證時(shí)要外接上拉電阻。 ? ~： P1 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 AT89S51 單片機(jī)的 P1 口除了可以作為一般 I/O 口外，其中 5 位還有第二功能 ，如表 21。 表 21 P1 口各位的第二功能 P1口的各位 第二功能的名稱及作用 T2（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 /時(shí)鐘輸出） T2EX（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的捕獲觸發(fā)和雙向控制） MOSI（主機(jī)輸出線，用于在系統(tǒng)編程） MISO（主機(jī)輸入線，用于在系統(tǒng)編程） SCK（串行時(shí)鐘線，用于在系統(tǒng)編程） 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論