气体渗碳的计算机控制

目录

摘要......................................................................1

ABSTRACT....................................................................................................错误！未定义书签。

1绪论....................................................................2

L1渗碳技术概述.........................................................2

1.1.1渗碳工艺、组织和性能研究.........................................2

1.1.2碳势测试与控制技术...............................................4

1.2DCS系统发展趋势.....................................................5

1.2.1DCS发展趋势....................................................5

1.2.2DCS的结构......................................................6

1.2.3DCS的特点......................................................7

2MCS-51系列单片机.......................................................9

2.1MCS-51系列单片机的结构.............................................9

2.2MCS-51单片机外部引脚及其功能......................................12

3传感器电路的设计.......................................................14

3.1传感器电路.........................................................14

3.1.1传感器电路的作用................................................14

3.1.2对传感器电路的主要要求..........................................14

3.1.3传感器电路的设计方法............................................16

3.2传感器电路抗干扰设计...............................................17

3.3传感器电路抗温度干扰设计...........................................18

3.3.1环境温度变化是不可避免的........................................18

3.3.2环境温度变化对电路的影响........................................19

3.3.3抗温度漂移的方法与设计..........................................19

4系统硬件设计...........................................................21

4.1系统组成概述.......................................................21

4.2主机...............................................................21

4.2.1总线扩展........................................................22

4.2.2并行总线扩展基本问题............................................22

4.2.3具体电路设计....................................................23

4.3输入通道...........................................................26

4.4输出通道...........................................................30

4.5液晶屏和键盘接口...................................................30

5系统软件设计...........................................................32

5.1温度控制的系统软件设计.............................................32

5.1.1主程序设计......................................................32

5.1.2自诊断程序设计..................................................33

5.1.3中断服务程序设计................................................34

5.1.4数据采集输入程序设计............................................35

5.1.5复合滤波程序设计................................................35

5.1.6线性化处理与标度变换程序设计....................................37

5.1.7PID控制程序设计................................................39

5.2碳势控制的系统软件设计..............................................40

5.2.1气氛控制过程简介与数学模型的建立................................40

5.2.2碳势采样........................................................41

5.2.3碳势PID运算...................................................42

5.2.4碳势控制量输出程序设计..........................................43

6结论...................................................................44

参考文献.................................................................45

附录.....................................................................46

致谢...................................................................47

II

摘要

气体渗碳是应用广泛的表面强化热处理技术，气体渗碳的计算机控制是气体渗碳生

产质量的保证。微型计算机和相应的外围设备配合不仅能自动测量，记录，调节工艺过

程的参数，还能根据测得的过程参数进行工况分析，综合，判断，数据处理，并根据预

先给定的最优化数学模型进行运算，根据运算结果调整给定值，优化生产工艺过程，达

到质量最优。因此，随着计算机控制技术的发展，热处理工艺自动控制向着精确和高度

自动化方向发展，例如，热处理的微机测温技术，微机控制渗碳等。系统的硬件配置以

89c52微控制器为核心，扩展了多路数据采集，控制量输出，键盘以及显示等。系统软

件采用了模块化思路。它的主要功能有：数据采集功能，数字滤波功能，标度变换和线

形化处理功能，顺序控制功能，信号报警功能，数据通信功能等。

通过渗碳控制系统的下位机的建立，可以精确的控制零件表面含碳量，碳浓度梯度

和渗碳层厚度，稳定渗碳工艺的质量，因而提高了渗碳零件的机械性能。实现无氧化、

无脱碳与增碳热处理，可以提高零件的表面质量及机械性能，减少零件的加工余量和钢

材的烧损量，因而就能节省工时及能耗，节约金属材料。实现特殊的热处理工艺，如硅

钢片的脱碳退火，轧制钢材的复碳退火等。实现机械化与自动化，提高劳动生产率，改

善劳动条件。

关键词：渗碳过程微捽制器表面强化技术

1绪论

1.1渗碳技术概述

渗碳是目前机械制造工业中应用最广泛的一种化学热处理工艺。通过渗碳，工件表

层可以得到足够高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部保持足够的强度和韧性。我国远

在战国时期就广泛应用固体渗碳法，且达到很高的技术水平。上世纪40年代后，气体

渗碳工艺迅速发展起来，它具有生产率高、易于实现机械化、自动化生产，渗碳层碳浓

度可以控制，渗碳质量高，渗碳后可直接淬火等优点。尤其是计算机及计算机模拟技术

应用到渗碳工艺以后实现按工件要求的表面碳浓度、层深、渗碳过程的全自动控制和调

节，产品质量稳定、可靠，从而确定了它在生产中的主导地位。我国气体渗碳的数学模

型和计算机模拟研究始于上世纪70年代末、80年代初。数值模拟便于处理非线性问题,

气体渗碳的数值模拟，将工艺参数（温度、气体成分、传递系数、扩散系数等）作为时间

的函数，并考虑了形状因素的影响，使之更加贴近生产实际情况。在大多数情况下，可

以用扩散方程的一维有限差分方程模拟渗层瞬态浓度场，根据碳浓度分布可以进一步计

算硬度分布。尽管渗碳技术是•项比较成熟的技术，但随着技术的发展，尤其是微电子

技术和计算机的应用，使得目前国内外对渗碳技术的研究仍比较活跃，1996年以来，仅

国内科技期刊发表的关于渗碳方面的文章就达200余篇。

1.1.1渗碳工艺、组织和性能研究

（1）中高合金钢渗碳研究

由于对渗碳件综合性能，如高强度、高韧性和高淬透性要求的不断提高，中高合金

渗碳钢的研究和应用研究也多了起来。郭雅萍等人对17Cr2Ni2M。钢制齿轮渗碳工艺进

行了研究，应用在轧机主减速机齿轴上代替进口材料。针对渗碳后缓冷产生裂纹问题，

陈柯研究了17CrNiMo6钢渗碳齿轮渗碳后缓冷产生裂纹的原因，认为在缓冷过程中析

出网状碳化物是产生裂纹的根源，提出的解决办法是控制渗层表面含碳量不要超过

0.9%。合金元素含量较高的渗碳钢，渗碳后存在大量残余奥氏体，不仅降低硬度和耐磨

性，而且容易产生磨削裂纹，导致早期失效，文献认为通过采用两次高温回火可解决该

问题。文章探讨了20Cr2Mn2M。钢渗碳后空冷开裂原因，认为过高的碳浓度以及不合适

的冷却速度导致了开裂。以上分析说明，过高的碳浓度是导致渗碳缺陷的一个重要原因,

因而，合理控制渗层含碳量是控制渗碳质量的一个关键问题。刘喜明等人通过不同温度

回火和冷处理的方法改变18Cr2Ni4WA钢渗碳后的残余奥氏体量，认为在低载荷下奥氏

体量少、硬度高的耐磨性高，而高载荷下正好相反。通过对渗碳齿轮疲劳强度的研究，

认为碳化物对疲劳强度是有害的，认为渗层为共析成分或略高一点时疲劳强度高。通过

台架试验研究了渗碳工艺对齿轮疲劳强度的影响，认为渗碳层含碳量对渗层组织、残余

奥氏体量等都有很大影响，同时也影响到渗层的残余应力及其分布，对疲劳性能的影响

2

是显著的。

(2)过饱和渗碳技术

普通渗碳主要靠高碳马氏体强化表面而当工件中含有一定量的碳化物形成元素并

在一定碳势下渗碳时，渗层中将有碳化物析出。这些细小、弥散分布的碳化物质点使表

面具有更高的硬度和耐磨性能大幅度提高工模具的使用寿命，这种渗碳方法被称为“过

饱和渗碳”或高浓度渗碳。高浓度渗碳具有渗速快和可得到大量(20-50%)碳化物的特点，

显示出比普通渗碳优异的耐磨性、耐蚀性，更高的接触和弯曲疲劳强度，较高的冲击韧

度和较低的脆性，近年来国内外对其研究较多。M42高速钢和Crl2MoV冷模具钢在流动

粒子炉中进行过饱和渗碳，可以在渗层中得到分布均匀、细小的碳化物。文献对超饱和

渗碳理论以及数学模型进行了详细讨论，提出了碳化物极限值、碳势门槛值等概念。认

为合金钢超饱和渗碳过程可分为三个阶段。第一阶段A状态超饱和渗碳，第二阶段是Y

状态超饱和渗碳，第三阶段形成了白亮层。总之，过饱和渗碳具有较大应用前景，但由

于其渗碳过程的复杂性，工艺的稳定性相对较差，目前还未在实际中得到大量使用。

(3)催渗技术

渗碳是热处理中周期最长的工艺之一因而人们对催渗技术的研究也就非常重视。

中国热处理行业协会推荐的BH催渗剂及催渗技术被评为《中国机械工业科学技术奖》

一等奖，稀土化学热处理是我国学者上世纪80年代初首次提出的崭新课题。稀土元素

的加入，一方面加快了化学热处理过程的速度，降低了温度，延长了设备使用寿命，同

时也提高了零件的综合力学性能。稀土渗碳工艺可分为固体、液体、注式以及吸热式气

氛稀土渗碳。陈立佳等采用液体渗碳方法进行稀土碳共渗，利用X射线衍射技术、穆斯

堡尔谱等研究了稀土对渗碳层组织及性能的影响。结果表明，稀土元素的渗入可抑制渗

碳体的形成，且可使渗碳层中残余奥氏体及(Fe,Cr)7c3型碳化物量增加，马氏体量减少。

此外稀土的渗入也可提高渗碳层的硬度和耐磨性。阎牧夫等在吸热式可控气氛中加入稀

土进行稀土渗碳，结果表明，900C稀土渗碳可使渗层深度增加，比原工艺(9300C渗碳)

渗层深度增加14.1%,表层组织、表面硬度及耐磨性优于原工艺。王心明对机车常用的

20CrMnMo,20CrMnTi等材质的齿轮及试样进行了稀土渗碳工艺试验，试验结果表明，

在相同渗碳温度条件下，稀土渗碳速度比常规渗碳速度提高20%-30%。综上所述，渗碳

新工艺新技术不断涌现，人们在不断寻求更快的渗碳方法，尽力缩短渗碳时间。从工艺

上说某某方法提高了渗碳速度，而从模拟计算来说，就是碳势、碳的扩散系数和传递系

数发生了变化。碳势可以通过如氧探头、电阻法进行测试，而碳的扩散系数和传递系数

是不容易测试的，目前还没有成熟的方法。它们也往往因渗碳钢的成分、气氛成分的

改变而改变。

3

1.1.2碳势测试与控制技术

（1）碳势的测试

渗碳零件的表面碳浓度取决于炉气碳势和渗碳时间。炉气碳势是指钢与气氛处于热

力学平衡时的碳浓度。该量值是气氛的特性，也是钢的特性，而且只有在系统处于热力

学平衡时才有意义。通常可以将0.1mm或更薄的纯铁片放在渗碳炉中，经过30min以

上时间渗碳后取出，测出含碳量，该含碳量即为碳势。这种碳势的直接测量方法比较麻

烦，一般只在校验和标定其他测量方法时使用。实际应用中多采用基于化学平衡的测量

方法和电阻法（也是一种直接测量方法）。

①露点仪

露点就是气氛中的水汽开始结露（雾）的温度。气氛中的水汽越多，露点越高，碳势

也就越低。

②红外线气体分析仪

红外线气体分析仪的测量原理是基于各种气体对红外线的不同吸收效应。在气体

中，单原子气体和同原子的双原子气体均不吸收红外线，其他气体对红外线有选择性的

吸收效应。因而，可以用红外线气体分析仪分析渗碳气氛中的CO,CO2和CR气体的相

对含量，从而确定碳势。

③氧探头

目前国内外主要用氧探头测碳势，将氧探头直接插入渗碳炉中测出炉气的氧势。所

谓氧势即气氛中氧的浓度或氧的分压。根据氧势与碳势关系计算炉内气氛碳势。

④电阻法

电阻探头又称热分析仪是目前唯一的直接连续测量炉气碳势的方法。其原理是：将

1根一定长度、直径0.08-0.20mm的细铁丝（或铁锲丝）直接置于渗碳气氛中，当渗碳温

度一定时，细铁丝在高温单相奥氏体状态下的电阻值仅取决于炉气的碳势，即R=f（Cp）,

根据细铁丝在渗碳炉气中被迅速渗碳或脱碳所引起的电阻值变化，即可连续测量炉气碳

势。细铁丝的电阻值还与温度有关，即R=f（C%,t）。电阻探头用钢箔定碳法校对，在

790℃-1000℃范围内用来分析0.15%C~1.30%C的碳势（指含碳量）的控制精度为

+0.05%C--0.05%Co文献也比较详细的研究了电阻法测碳势。

（2）碳势的控制

下图是碳势控制原理框图。渗剂可以是煤油、乙醇等液体渗剂或吸热、放热可控

气氛，经流量计、电磁阀进入渗碳炉内。探头可以是氧探头、电阻探头等用于测试炉内

气体的碳势，经过碳控仪与设定的碳势值进行比较，根据比较结果控制电磁阀的开关，

调节渗剂流量，达到控制炉内碳势的目的。

4

图1-1碳势控制原理

文献介绍了井式炉渗碳过程的计算机控制，指出其具有确保渗碳质量、提高效率、

节约能源、减轻劳动强度等优点。可控气氛密封多用炉及有关渗碳技术从上世纪80年

代到90年代出现了强劲的发展势头。传统的“碳势控制”已发展为“碳浓度分布控制”

的新概念，数学模型以及新型传感器和在线计算机自适应控制系统得到很大发展，在国

外已广泛用于生产。新的测试手段和计算机控制推动了非平衡态直生气氛控制难题的解

决，从而使直生气氛的可控渗碳进入实用阶段。碳势控制与渗碳过程计算机模拟相结合，

改变传统的粗放式渗碳方式是提高渗碳质量的根本出路。

1.2DCS系统发展趋势

1.2.1DCS发展趋势

1975年美国Honeywell公司推出以微处理器为基础的TDC-200总体分散控制系统，其

型号中的TDC取TotalDistributedControl3个单词的第1个字母，含义是集中操作、显示、

分散控制。随后，世界上诸多仪表厂商相继推出此类产品，并统称为DCS。DCS是“4C”

(Computer,Communication,Control,CRT)技术的结晶。它的出现不仅代表了一种新型自

动化工具，而且预示着工厂自动化内涵的改变。DCS在控制方式、控制功能的实现、信

息传送与处理等方面和过去摸拟仪表相比有本质不同。20多年来DCS在结构、功能、性

能等方面均得到了迅速发展与提高，这里结合考察中的所见所闻，对环境设备DCS发展

趋势做一简略评述。环境对象设备DCS发展的总趋势是开放性、分散化、智能化和综合

自动化。

★采用通用PC机或工业PC机(IPC)作为DCS各节点设备的硬件平台的DCS的初期，几乎

所有的DCS生产厂均使用自行设计制造的计算机作为I/O控制站、操作站和工程师站。

但伴随微机技术的迅猛发展，DCS厂家均不失时机地调整策略，转向采用PC或IPC

构筑自己的DCS。

★采用商品化的监督控制及数据采集(SCA-DA)软件包。同样，在DCS发展过程中很长

的一段时间里，监督控制和数据采集的软件也是各DCS厂家自行编制的，它们从属

5

于各自的硬件，专用性很强。但近年来，一些专门从事软件开发的独立软件制造商

(ISV)除提供商务软件包、事务处理软件包、办公自动化等软件包之外，还提供SCADA

软件包。目前，某些DCS已直接采用此种软件包。之所以出现此趋势，主要是因为

SCADA软件包具有通用性强，标准化程度高的特点，且随着应用数量的增加价格不

断下降。可以说，SCADA软件包为DCS的开放化创造了条件，注入了活力。

★采用符合国际标准或产业标准的网络体系。可以说，采用标准的网络体系是DCS走

向开放化的关键。因为真正的开放意味着各厂家的产品具有可互操作性、可互连性、

可替代性、可移植性。

★现场总线的崛起。这里的现场仪表泛指智能变送器、智能执行器、智能记录仪、智

能终端、智能条形阅读器、单/多回路智能调节器、PLC、网桥、网关等。人们普遍

认为，现场总线技术将会引发自动化和仪表工业的变革和产品的更新换代；也有人

说现场总线敲响了DCS的丧钟。但究其初衷，DCS的本意是I/O和控制分散，信息和

管理集中。从这个意义上看，现场总线将使此初衷更为完美。当然，现场总线的实

现将使目前DCS构成中的一个重要部分I/O控制站的功能、结构发生根本性的变化，

这一点是无疑的。可以说，现场总线和DCS的未来息息相关。

1.2.2DCS的结构

目前，DCS向计算机网络控制发展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合

起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统、制造自动化协议MAP(Manufacture

AutomationProtocol)标准，以及硬件上诸多新技术。这一代产品的进一步发展就是计算

机集成制造(生产)系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem),即将信息管理

与工厂控制系统集成为一体的计算机系统。这--代产品的结构自下而上一般可分为过程

控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级这四个层次。

经营管理级

i

生产管：：理级

控制管：理级

过程控制级

图1-2DCS结构

其中过程控制级直接与生产过程连接，具体承担信号的变换、输入、运算和输出等

分散控制任务，主要设备有过程控制单元、过程输入/输出单元、信号变换器和备用的盘

装仪表。控制管理级对生产过程实现集中操作、优化控制和管理，该级的主要设备就是

CRT操作站、监视计算机和数据公路通讯设备。

6

这两级在具体的软硬件技术上同过去的产品相比有了新的改进，例如：

(1)处理单元采用单片机，除用图形语言编程外，还可用高级语言编程；

(2)软件采用多窗口技术；

(3)可进行顺序的批量控制；

(4)硬件的可靠性和安全性设计，移植了许多宇航技术成就，如新的密封高密度组件

板，表面安装技术(SMT)等新技术；

(5)处理单元中引入智能化技术，每个单元都有自诊断程序，发生故障时能自动隔离,

以实现在线更换。

生产管理级可承担全厂或全公司的最优化，它相当于挂在局部控制网络LCN上的

通用站US、管理计算机和有关模块(如历史模块HM、计算模块CM、应用模块AM)。

而经营管理级则是该LCN通过计算机网间连接器GW连接的更上位计算机、计算机簇

和其它通信网络上的设备，按照市场需求、各种与经营有关的信息因素和生产管理级的

信息，做出全面的综合性经营管理和决策。这一代产品在通信网络上已广泛采用光缆和

新的网络技术，建立了从基带到宽带，符合MAP协议的宽范围的完整网络，能同符合

OSI参考模型的不同网络产品相兼容或通信。

1.2.3DCS的特点

与一般的计算机控制形式相比，DCS具有下列特点：

(1)松散耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化

DCS在结构上是一个松耦合的多处理机系统，与以共享内存为基础的紧耦合多处理

机系统相比，它的通信量少，分散的子系统自治性强，各个微处理机都可以有自己的局

部操作系统，所以系统配置十分灵活。如果要扩大或缩小系统规模，只须按需要在系统

中增加新的单元，或拆去某个单元，系统完整性不会受到多少影响。

(2)软件模块化

DCS为用户提供有相当丰富的功能软件，用户只需按要求选用这些软件模块，即可

大大减少用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打

印软件包等。

(3)控制系统采用组态方法生成

DCS使用与一般计算机系统完全不同的方法生成控制系统，这就是所谓“组态”。

DSC为用户提供众多(儿十种以上)的常用运算和控制模块，工作人员只需按照系统方块

图那样的连接模块方式，进行控制系统的组态即系统生成。

(4)通信网络的应用

通过各级通信网络，如高速数据公路(或数据总线)、局部控制网络、通用控制网络

UCN(TDCS3000上的-种网络)和经GW连接的它网络，将现场控制单元、局部操作站、

7

控制管理计算机、中央操作站(如通用站US)、生产管理计算机和经营管理计算机，以及

提供市场信息和管理的各种终端连接起来构成小中大型多种规模的控制系统，实现整体

的最优控制和管理。

(5)可靠性

DCS的高可靠性体现在系统结构、采用冗余技术、自动诊断功能和高性能的元器件

上。

8

2MCS-51系列单片机

2.1MCS-51系列单片机的结构

MCS-51单片机的基本组成

图2-1所示为MCS-51系列单片机中的8051单片机的基本功能结构方框。

图2-18051单片机功能方框图

单片机包括：

1.一个8位的微处理器CPU。

2.片内数据存储器RAM(12813/25613),用以存放可以读/写的数据，如运算的中间

结果、最终结果以及欲显示的数据等。

3.片内程序存储器ROM/EPROM(4KB/8KB),用以存放程序、一些原是数据和表

格。

4.四个8位并行1/0(输入/输出)接口P0-P3,每个口可以用作输入，也可以用作输出。

5.两个或三个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外

部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控

制。

6.五个中断源的中断控制系统。

7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口，可实现单片机与单片机或

其它微机之间串行通信。

8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频

率为12MHz。如图2—2所示。

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