1、 课课 程程 设设 计计 设计题目：设计题目： 退火炉温度控制系统退火炉温度控制系统 学学 院：院： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导老师：指导老师： 日期：日期： - 1 - 摘摘 要要 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。
2、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。 - 2 - 目 录 第 1 章 绪论 .3 1.1 设计背景与算法 . 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 章程序设计与程序清单 .7 3.1 单片机最小系统设计 . 7 3.1.1 单片机选择 . 7
3、 3.1.2 时钟电路设计 . 8 3.1.3 复位电路设计 . 9 3.2 程序清单与电路图 11 3.3 温度控制电路 . - 16 - 第 4 章 控制算法 18 4.1 程序框图 18 4.2 算法设计 19 第 5 章 课程设计总结 .- 22 - - 3 - 第1章 绪论 1.1 设计背景与算法 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
4、，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
5、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
6、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。 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 zz zz N N 2 2 1 )( 1 - 4 - 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
