煤气退火炉控制系统毕业设计说明书

..本科毕业论文（设计）设计题目：煤气退火炉控制系统设计学院：＿＿＿＿＿＿＿＿专业：＿＿＿＿＿＿＿＿班级：＿＿＿＿＿＿＿＿学号：＿＿＿＿＿＿＿＿学生姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿指导教师：＿＿＿＿＿＿＿＿年月日.目录摘要 II第一章 总体方案设计 11.1 设计内容……………… 11.2总体方案……………… 1第二章 系统硬件设计 22.1 硬件选型 22.1.1 计算机选型 22.1.1 热电偶选型 22.1.1 A/D转换器选型 22.1.1 执行机构选型 22.2 热电偶检测信号放大电路和A/D转换接口电路设计 22.1.1 计算机选型 22.1.1 热电偶选型 22.3 执行机构设计 22.3.1 过零检测电路 22.3.2 固态继电器控制电路 22.4 按键显示电路 2第三章 MATLAB建模与仿真 33.1 退火炉温度控制系统的原理框图 33.2 退火炉温度控制的方框图 33.3 退火炉温度控制系统的控制算法分析 33.4 系统的建模和仿真 3第四章 系统软件设计 44.1 主程序 44.2 采样子程序 44.3 滤波子程序 44.4 显示子程序 44.5 标度转换子程序 44.6 键盘子程序 44.7 数字控制器子程序 4小组总结 13参考文献 13附录AXXXXXXXXXXX 15附录BXXXXXXXXXXX 16

煤气退火炉控制系统设计摘要本设计是基于单片机AT89C52的煤气退火炉控制系统。设计中综合利用单片机的可编程性，灵活利用A/D转换器、LCD等，完成温度采集、运算控制、输出显示等功能。A/D能够较高精度和较大范围的进行温度测量，保证了系统设计的精度要求；运算控制部分主要使用单片机小系统对采集的数据进行处理，方便快捷；输出显示部分使用LCD液晶显示屏实现，简单明了。系统性能指标均达到了设计要求。整个系统电路简单，操作方便，用户界面友好。关键词：单片机，温度采集，运算控制，液晶显示.1总体方案设计设计内容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。大致工艺曲线如图1.1所示，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。图1.1大致工艺曲线1.2总体方案图1.2总体框图AT89C51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（0～400）℃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（400～700）℃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45～75℃/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。2 系统硬件设计硬件选型计算机选型在本次设计中，主机采用AT89C51单片机。AT89C51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。其性能比较稳定，功能完全能够满足本设计的要求。热电偶选型本系统采用镍铬-镍硅热电偶为温度检测元件，其分度号为K。K型热电偶化学稳定性高，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度，短期可测1200℃。其复制性好，产生热电势大（40μV/℃），线性好，价格便宜，能满足此系统的测温要求。A/D转换器选型选用AD574模/数转换器实现对温度的转换。AD574是美国模拟器件公司生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器，一次转换时间为25μs，转换速度最快为35μs，转换误差为±0.05%，所需电源为±15V和+5V。AD574内部含有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无需附加逻辑接口电路，能与CMOS及TTL电平兼容，内部配置有高精度参考电压源和时钟电路，故无需任何外部电路和时钟信号就能完成A/D转换功能。A/D转换位的选择应满足其分辨率要高于系统的精度要求，且有一定裕量。AD574的分辨率为1LSB，百分数表示1/212=0.24‰，故选择AD574符合设计要求。2.1.4执行机构选型本设计选用步进电机为执行元件，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机，每输入一个脉冲，电动机就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电机作为执行元件的显著特点是具有快速启停能力和精度高。2.2热电偶检测信号放大电路和A/D转换接口电路设计2.2.1温度检测电路及功率放大电路本系统采用镍铬-镍硅热电偶检测炉温。热电偶是一种感温元件，热电偶由两种不同成份的均质金属导体组成，形成两个热电极端。温度较高的一端为工作端或热端，温度较低的一端为自由端或冷端，自由端通常处于某个恒定的温度下。当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在塞贝克电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。其优点是结构简单，范围广，精度高，可实现远距离测量和传送，使用稳定可靠，因此被广泛使用。其不足之处是测温精度取决于冷端温度（即环境温度）的影响，为了提高热电偶测温精度，需要在热电偶的冷端进行温度补偿。温度检测电路及功率放大电路如图所示。图3.1温度检测电路及功率放大电路热电偶冷端温度补偿采用电桥。变送器采用两级放大，第一级选用高稳定性运算放大器ICL7650，第二级有通用型集成运算放大器μA741。第一级输入信号为差动信号，放大倍数为15倍，即，取R7=20Ω，R8=280Ω。第二级放大倍数可调，最大值为100倍，即,则R9=1K，RP1=1K。ICL7650输入端的钳位二极管起保护作用，避免输入线路发生故障时瞬态尖峰干扰损坏运算放大器。电路中其他参数取经验值。2.2.2AD574模/数转换电路图3.2AD574模/数转换电路如图3.2所示，AD574工作在12位状态，转换值分两次输出，高8位从D4～D11输出，低4位从D0～D3输出，并直接和单片机的数据线相连。AD574的片选端接锁存器74LS373的Q7端，低电平有效；CE为片选使能端，高电平有效；和CE共同用于片选控制，只有当两个信号同时有效时，才能选中本芯片工作。A0端接锁存器的Q1端，A0=0时启动A/D转换。R/接锁存器的Q0端，R/=0时，启动AD转换，R/=1时，允许读出转换后的数据。AT89C51的和经与非门74LS00与AD574的CE端相连。12/接地表示AT89C51要分两次从AD574读出A/D转换的12位数字量。2.3执行机构设计2.3.1过零检测电路采用交流过零型固态继电器控温时需要交流过零检测电路，此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，在交流电压过零时刻导通。如图3.3所示，是一种由光电耦合器和一个单稳态电路组成的过零检测电路。图3.3过零检测电路其中，U8、U9为光电耦合器，具有检零和隔离功能，R14为限流电阻。在交流正半周，U1导通，U2截止，VA为低电平；在交流负半周，U1截止，U2导通，VA仍为低电平。只有在交流过零点时，U1和U2均截止，VA为高电平。VA再经过74LS123单稳态电路整形，得到一过零脉冲序列VB。VB脉冲序列再与单片机P1.X输出的触发脉冲信号进行与非运算后得到控制信号，用它来控制固态继电器，从而调节炉温。查参数可知，GD型光电开关的输入正向电流I1为50mA，而输入的是220V的交流电，可知其峰值为310V，则限流电阻R14=310V/I1=6.2KΩ，R14取7KΩ。74LS123输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R12与定时电容C4，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：WP=R*C，在实际设计中R12=125KΩ，C4=80pF,输出脉宽为10μs，幅度约5V。而74LS123的B端口输入高电平电流最大为20μA，则R13=5V/20μA=250KΩ。2.3.2固态继电器控温电路2.4按键和显示电路（3）按键输入因为按键数目不多，所以系统直接采用非编码方式，直接连接单片机I/O口。图5按键电路（4）显示部分系统采用LCD1602，P0和P3.0-P3.2作为输出口，控制LCD显示器，如图8。图6LCD1602（5）输出控制设计使用LCD1602显示当前设定温度和实际测量温度，用两个LED指示当前空调状态（加热或制冷），51单片机的低电平驱动能力较强，LED可以直接连接单片机的I/O口；单片机输出PWM波经驱动电路从而控制压缩机的转速。3MATLAB建模与仿真3.1退火炉温度控制系统的原理框图退火炉以煤气、空气混合气为辅助燃料，煤气和空气的比例为3:2，炉温的高低直接与混合气的进给量有关，适当调节它的进给量，即恰当地控制混合气的阀门的开启角度就可以控制退火炉的温度高低。退火炉的结构框图如图3.1所示。其工作原理是退火炉温度Tx经传感器、变送器检测、变换的T(t)值，与温度给定值R(t)比较后,两者的偏差值Et(t)经微机数字控制器D(z)分析、运算，输出相应的控制量，驱动执行机构C，调节流量控制阀阀门C的开启角度，改变混合气的进给量。图3.1退火炉结构框图3.2退火炉温度控制系统的方块图退火炉温度控制系统的方块图如图3.2所示，其中：H(s)=，，。图3.2退火炉温度控制系统方块图3.3退火炉温度控制系统的控制算法分析“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即式中：Gc(s)——煤气退火炉的传递函数；D(s)——比例环节取1；K——比例系数；θ——纯滞后时间；τ1——时间常数。与一个零阶保持器串联时，系统广义被控对象的脉冲传递函数为：含纯滞后的一阶惯性环节的大林计算式为：若令：D(z)的简化表达式便为：式中：T——采样周期；τ1——被控对象时间常数；τ——闭环系统时间常数。设K＝1，T＝1s，τ＝3，τ1＝1s，N=1，最后求得当Uc(z)对表达式中各项求Z变换后，可求出混合气流量调节器输出量Uc(k)的计算公式为：3.4系统的建模和仿真此系统经过建模仿真得到的图形如图3.3所示。图3.3系统模型仿真后的结果如图3.4所示。图3.4仿真图4系统软件设计4.1主程序主程序流程图如图4.1所示。图4.1主程序流程图主程序程序清单：ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPKEYSORG000BHAJMPPIT0ORG001BHAJMPPIT1；中断入口及优先级MAIN：MOVSP，#00HCLR5FH：清上下限限越标志MOVA，#00HMOVR7，#09HMOVR0，#28HLP1：MOV@R0，AINCR0DJNZR7，LP1MOVR7，#06HMOVR0，#39HLP2：MOV@R0，AINCR0DJNZR7，LP2MOVR7，#06HMOVRO，#50HLP3：MOV@R0，AINCR0DINZR7，LP3；清显示缓冲区MOVTMOD，#56H；T0方式2，T1方式1计数MOVTLO，#06HMOVTHO，#06HMOV25H，#2BCH；设定值默认值700SETBTR0；键盘高优先级SETBET0SETBEX0SETBEA；开键盘T0。T1中断LOOP：MOVR0，#56HMOVR1，#55HLCALLSCACOV；标度转化MOVR0，#53HLCALLDIRNOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSAJMPLOOP；等中断KEYS：CLREX0；键盘子程序CLREAPUSHPSWPUSHACC；关中断LCALLDLY10MS；消抖CC：JBP3.2AASETB5DH；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DIVABMOV52H，AMOVA,BMOV51H,AMOVR0,#50HLCALLDIR;显示设定温度NOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSJBP1.7,BBMOVR1,#25HLCALLDAAD1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCBB:JBP1.6CCMOVR1,#25HLCALLDEEC1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCAA:POPACCPOPPSWSETBEX0SETBEA;出栈RETIDAAD1:MOVA,#00HORLA,@R1ADDA,#01HCJNEA,#17CH,DAAD2;超过380度了吗?DAAD3:MOV@R1,ADAA:RETDAAD2:JCDAAD3MOV@R1,#2BCH;超过380则转回到700AJMPDAADEEC1:MOVA,@R1DECACJNEA,#2A8H,DEEC2;低于680度了吗?DEEC3:MOV@R1,ADEE:RETDEEC2:JNCDEEC3MOV@R1,#17CH;低于680则转回到380AJMPDEEPTT0:CLREA；T0中断子程序PUSHACCPUSHPSWPUAHDPLPUSHDPHSETBEA;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AJMPBBBAAA: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:JCBBBCLRP1.2;大于720黄灯亮SETB5EHCLRP1.1;置标志启动风扇AJMPPPPCCC:CLRP1.3;小于380红灯亮SETB5FHBBB:CLRP1.0;置标志启动电炉AJMPPPPSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2SETBP1.3CLR5EHCLR5FH;400~700之间正常LCALLDLJNB20H,EEF;设定温度小于实际值转到DLMOVA,29HLCALLFFFCLRP1.0LOOP10: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CLRDIRJBD5H,LOOP10;等待T1中断CLREAPOPDPHPOPDPLPOPPSWSETBEAPOPACCRETIEEE:MOVA,28H;DL处理LCALLFFFCLRP1.1AJMPLOOP10FFF:CRLA;根据DL结果计算T1初值INCAMOVTL1,AMOVTH1,#0FFHSETBPI1SETBTR1SETBET1RET4.2采样子程序采样子程序程序清单：SWAP:MOVR0,#20HMOVR1,#03HSAW1:MOVDPTR,#7FF8HMOVX@DPTRA；A/D转化MOVR2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延时HERE:JBP3.3,HEREMOVDPTR,#7FF8HMOVXA,@DPTR;读转化结果MOV@R0,AINCR0DJNZR1,SAM1RET4.3滤波子程序滤波子程序程序清单：FILTER:MOVA,20HCJNEA,2DHCMP1AJMPCMP2CMP1:JNCCMP2XCHA,2DHXCHA,2CHCMP2:MOVA,2DHCJNEA,22EH,CMP3MOV2AH,AAJMPRRCMP3:JCCMP4MOV2AH,AAJMPRRCMP4:MOVA,2EHCJNEA,2CH,CMP5MOV2AH,AAJMPRRCMP5:JCCMP6XCHA,2CHCMP6:MOV2AH,ARR:RET滤波子程序流程图如图4.2所示:中值滤波子程序中值滤波子程序CX←串长DI←（CX）-1（SAMP+（BX））≥（SAMP+（BX）+2）（BX）←（BX）+2（CX）←（DI）（BX）←N/2（RESULT）←（SAMP+（BX））（SAMP+（BX））≒（SAMP+（BX）+2）（CX）1=0？（CX）=0？返回BX←0图4.2滤波子程序流程图4.4显示子程序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,#SEGTDL0:MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,ALOOP1:JNBTI,LOOP1CLRTIINCR0MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRANLA,#7FH；使数带小数点MOVSBUF,ALOOP2:JNBTI,LOOP2CLRTIINCR0MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,ALOOP3:JNBTI,LOOP3CLRTICLRP1.4CLR5DHRETDL1:MOV50H,#0AH AJMPDL2SEGT:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH4.5标度转换子程序标度转换子程序程序清单：SCACOV:PROCNEARMOVDX,0MOVDATA1,#258HMOVDATA2,#708HMOVDATA3,#960HPROCNEARMOVDX,0MOVAX,DATAPCMPAX,DATA3JAEQ3DORCMPAX,DATA2JAEQ3-Q2CMPAX,DATA3JAEQ2-Q1Q0:MOVBX,0.8HMULBXADCDX,0JMPDONEQ2-Q1:MOVAX,#15EHQ3-Q2:SUBAX,DATA2MOVBX,0.8HMULBXMOVAX,#15EHSUBAX,BXMOV@R1,APP:RET4.6键盘子程序键盘子程序程序清单：KEYS：CLREX0CLREAPUSHPSWPUSHACC；关中断LCALLDLY10MS；消抖CC：JBP3.2AASETB5DH；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DIVABMOV52H，AMOVA,BMOV51H,AMOVR0,#50HLCALLDIR;显示设定温度NOPLCALLDLY10MSNOPLCALLDLY10MSJBP1.7,BBMOVR1,#25HLCALLDAAD1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCBB:JBP1.6CCMOVR1,#25HLCALLDEEC1NOPLCALLDLY10MSAJMPCCAA:POPACCPOPPSWSETBEX0SETBEA;出栈RETI4.7数字控制器子程序数字控制器子程序程序流程图如图4.3所示。数字控制器计算程序数字控制器计算程序输入滤波后采样值及给定值求偏差E（K）计算a0e(k)计算a1e(k-1)计算a0e(k)-a1e(k-1)计算b1u(k-1)计算a0e(k)-a1e(k-1)+b1u(k-1)计算b2u(k-3)U(k)=a0e(k)+a1e(k-1)+b0u(k-1)+b1u(k-3)传递数据为下一次采样做准备子程序返回图4.3数字控制器子程序程序流程图数字控制器子程序程序清单：此程序用PLC单片机语言实现：大林算法程序入口：E1为规格化数出口：OP1为规格化数LISTP=16F877INCLUDEP16F877.INCACCALOEQU20ACCAHIEQU21EXPAEQU22ACCBLOEQU23ACCBHIEQU24EXPBEQU25ACCCLOEQU26ACCCHIEQU27ACCDLOEQU28ACCDHIEQU29TEMPEQU2ATEMP1EQU30TIMESEQU31SIGNEQU2BCOUNTEQU2FACCEHIEQU30ACCELOEQU31OP1LOEQU32OP1HIEQU33OP1EXEQU34;U(K)OP2LOEQU35OP2HIEQU36OP2EXEQU37;U(K-1)OP3LOEQU38OP3HIEQU39OP3EXEQU3AU(K-2)OP4LOEQU3BOP4HIEQU3COP4EXEQU3DU(K-3)E1LOEQU3EE1HIEQU3FE1EXEQU40E(K)E2LOEQU41E2HIEQU42E2EXEQU43E(K-1)TEM1LOEQU44TEM1HIEQU45TEM1EXEQU46TEM2LOEQU47TEM2HIEQU48TEM2EXEQU49ORG0X000STARTGOTODALINDALINMOVLW0XCAMOVWFACCBLOMOVLW0X37MOVWFACCBHIMOVLW0X03MOVWFEXPBMOVFE1LO,0MOWFACCALOMOVFE1HI,0MOWFACCAHIMOVFE1EX,0MOWFEXPA；6.974*E(K)CALLF_mpy;调用乘法子程序MOVFACCBLO,0MOVWFTEM1LOMOVFACCBHI,0MOVWFTEM1HIMOVFEXPB,0MOVWFTEM1EX；将积存入tem1MOVLW0X01MOVWFACCBLOMOVLW0X33MOVWFACCBHIMOVLW0X00MOVWFEXPBMOVFE2LO,0MOWFACCALOMOVFE2HI,0MOWFACCAHIMOVFE2EX,0MOWFEXPA；0.797*E(K-1)CALLF_mpy;调用乘法子程序MOVFTEM1LO,0MOVWFACCALOMOVFTEM1HI,0MOVWFACCAHIMOVFTEM1EX,0MOVWFEXPA;6.974*E(K)＋0.797*E(K-1)CALLF_sub;调用加法子程序MOVFACCBLO,0MOVWFTEM1LOMOVFACCBHI,0MOVWFTEM1HIMOVFEXPB,0MOVWFTEM1EX；将6.974*E(K)＋0.797*E(K-1)的和存入 tem1MOVLW0X92MOVWFACCBLOMOVLW0X3AMOVWFACCBHIMOVLW0XFDMOVWFEXPBMOVFE1LO,0MOWFACCALOMOVFE1HI,0MOWFACCAHIMOVFE1EX,0MOWFEXPA；0.1144*U(K-1)CALLF_mpy；调用乘法子程序MOVFTEM1LO,0MOVWFACCALOMOVFTEM1HI,0MOVWFACCAHIMOVFTEM1EX,0MOVWFEXPA;6.974*E(K)＋0.797*E(K-1)＋0.1144*U(K-1)CALLF_add