以80C552单片机为核心的工件热处理控制系统
热处理炉的单片机温度控制系统的设计
摘要：设计了一种以80C552单片机为核心的工件热处理控制系统。该系统以80C552单片机为核心，配以信号调理电路、温度采集单元、信号输出电路和键盘/显示单元等几个部分。工作时，通过温度传感器采集电炉温度产生的电压模拟信号，信号经放大、滤波送入80C552单片机进行处理后，控制电炉的电热丝功率的输出。实践结果表明，该控制系统设计方案合理可行，具有成本低廉，操作简便灵活，可靠性高等优点。 关键词：80C552;热处理 ;温度控制 中图分类号TP273??????????????? [文献标识码] A An Temperature Control System Based On Microprocessor for thermal processing furnaces Abstract: Designed a kind work piece heat treatment control system in core of 80C552. The system take 80C552 single chip as the core, matched by the signal recuperates electric circuit, temperature gather unit, signal output electric circuit and the keyboard and display unit and so on. When working, it can produce the voltage simulated signal through the temperature sensor gathering electric stove temperature, and the signal after the enlargement and the filter is send to the 80C552 single chip to carry on processing, to control the heating wire power output of the electric stove. And the experimental result indicated that, the design proposal of this control system is reasonable and feasible, with the merit such as inexpensive cost, nimble operation and high reliable. Keyword: 80C552; heat treatment; temperature control 1? 引言 江西某机床厂热处理车间的箱式加热炉设备成旧，加热处理过程主要采用人工操作，在加热过程中必须全程监控，并且因为人为等因素，加热炉内部温度的控制和加热时间往往达不到工艺要求。应厂家要求，在不对现有加热设备做大的技术改造的前提下，我们设计了一种以80C552单片机为核心的控制系统，该系统结构简单，可靠性高，各单元部件之间的功能联系紧密，安装与维护非常方便。 2 系统硬件设计 本系统控制对象为中温箱式电阻炉（900℃），由单片机控制可控硅功率控制回路的通断比，调节电阻炉上的电压输出，达到控制炉膛温度。温度采集电路检测炉温的实际值，送入单片机与设定值进行比较得出偏差值，然后单片机经过一定的控制算法，调节电阻炉上的有效电压，实现对电阻炉温度的闭环控制。 整个系统由80C552单片机、键盘、显示器、温度采集电路、功率控制电路以及程序存储器等模块组成，系统结构框图如图1所示。为了增强系统可靠性，外加了过零检测电路。
图1系统总体结构框图
2.1? 控制核心单元 本系统采用的80C552单片机是Philips公司生产的80C51系列的无ROM型68引脚产品，所以我们在单片机外部扩展了一片32K字节的程序存储器27256芯片。80C552单片机与Intel公司的MCS-51系列单片机兼容，使用增强型8051指令系统并且采用了先进的CHMOS工艺制作，片内带有256字节RAM数据存储器，一个8路10位A/D转换器，4个定时器/计数器（包含监视定时器），具有6个8位输入/输出口，一个I2C总线接口，是一种高性能微控制器。 2.2温度采集电路 温度采集电路采用铂铑30-铂铑6型热电偶，其测温范围大，输出热电势为十几毫伏，热电偶冷端补偿采用集成温度传感器AD590芯片。温度采集电路实时采集炉内温度并转换为电压模拟信号，再通过80C552单片机的模数转换引脚P5.0输入单片机进行处理。 2.3 加热控制电路 功率控制电路由光耦4N25、三极管和双向可控硅构成，接收来自单片机的控制信号调整双向可控硅导通角，实现电热丝功率的控制，加热控制电路如图2所示。
2.4键盘/显示接口电路 键盘电路主要用于输入待处理工件的钢号。在热处理加工中，通常不同钢号的工件在热处理过程中需要达到不同的淬火温度和回火温度。我们通过对十三种常用钢号的热处理工艺参数进行分析，发现T8、T10、T12三种类型的钢号，它们的热处理工艺要求基本相同，Cr12Mo、Cr12MoV两种类型的钢号，它们的热处理工艺要求也基本相同，所以对于以上五种类型的钢号只需要设置两个按键，其余8种钢号设置8个按键，再设置两个按键用于实现钢号输入的确定和取消，故该系统键盘接口电路设计了12个按键，分别称为K0-K11。显示接口电路由6位LED数码管及1个提醒指示灯组成。LED数码管分时显示钢号、炉膛内温度；提醒指示灯主要用于提醒系统管理人员注意本次工件热处理过程已经完毕。在键盘与显示接口电路的设计中，为了节省80C552单片机的I/O口线，系统外接8155芯片将键盘与显示接口电路组合在一起，8155的C口中PC0和PC1作为键盘的行扫描输出口；8155的A口中PA0-PA5作为键盘的列选口和6个LED的位选口，8155芯片的B口全部作为6个LED的段码信号输出口。LED的段位选择均由8位集电极开路的驱动器8718芯片负责驱动。提醒指示灯由8155芯片的PA7口负责驱动。键盘/显示接口电路如图3所示。
3? 系统软件设计 3.1主程序 该系统工作时，首先由操作人员通过键盘输入工件的钢号，80C552单片机通过键盘扫描程序得到工件钢号，并根据钢号从程序存储器中提取该钢号处理工艺的淬火温度、回火温度、保温时间等参数，再对相关寄存器进行初始化操作，然后温度传感器采样炉膛温度，同时电热丝进行全功率加热直至炉内温度达到设定温度，进入保温过程。保温过程中采用模糊控制算法，时刻调整炉内温度，达到保持炉内温度的目的。当保温时间到，输出功率电路停止工作，电热丝停止加热，工件空冷出炉。考虑到该系统用于工业现场，工况环境非常恶劣，所以软件设计采用了较成熟的模块化结构，使各个程序模块之间互不影响，并在程序中采取了冗余指令以及软件陷阱等抗干扰措施，增强了系统软件的抗干扰性。主程序流程如图4所示。
3.2? 模糊控制算法 热处理加热炉具有大惯性、大滞后、升稳单向性等特点，并且开关炉门、环境温度、加热材料、电网电压波动等因素都影响着控制过程，难以建立精确的数学模型。为了进一步提高控制精度，我们将模糊控制和PID控制两者结合起来，使控制系统既具有模糊控制的灵活性又具有PID控制精度高、调节时间短的优点，在此基础上选用自适应模糊PID控制算法来控制热处理电阻炉温度，其控制系统原理框图如图5所示。
图5 模糊PID控制系统结构框图
PID控制器控制规律经离散后为： △Un= Kp△en+Ki×en+Kd△2en? 其中Un为的控制输出，en=ω-yn为n时刻的偏差值，ω为设置值，yn为被控量n时刻的输出值，Ts、Ti、Td分别为采样时间，积分时间和微分时间。 比例系数Kp的取值直接影响到系统的响应速度以及系统的控制精度。当温度偏差较大时，Kp取较大值；当偏差变化率越大时，Kp的取值就越小。 积分系数Ki的取值主要是为了消除系统稳态误差，提高系统的抗干扰性能。在温度调节过程的初期，Ki取较小值；在温度调节过程的中间阶段，Ki选取适中值；在温度调节过程的后期，Ki取较大值，这样就可以减小系统稳态误差，达到提高系统调节精度的目的。 微分系数Kd主要反映偏差信号的变化趋势与速率，并能在变化进一步增长前引入一个早期的修正信号，从而改善系统的动态特性。Kd的取值必须根据系统的不同运行阶段，选取恰当的值。 3．3保温时间 淬火保温时间和回火保温时间参数的大小直接关系到工件经过热处理出炉后的合格率，为了保证工件被烧透，淬火保温时间计算公式为： 淬火保温时间=有效厚度(毫米)×（1.5-2.5）分钟/毫米。 对于碳素钢应该取1.5分钟/毫米 ；对于合金钢取2.5分钟/毫米。 回火保温时间为淬火保温时间的1.5倍。 4系统抗干扰措施 为了提高系统的抗干扰性能，必须从硬件和软件两个方面采取相应的抗干扰措施。 1）在单片机系统板的电源输入端并入0.01ｕF的低耗电容器进行电源滤波。 2）使用软件对所采集数据进行非线性校正。 3）运行中对相关参数，主要是保温时间参数进行自适应调整。 5 总结 本文作者创新点：在分析热处理炉工艺特点及其控制要求基础上，为解决热处理炉温度控制超调量大、干扰因素多、大滞后、调节时间长等问题，提出了一种自适应模糊PID控制算法，该控制算法只需计算n时刻的温度增量，控制增量的确定仅仅与最近温度偏差采样值有关，当存在计算误差或精度不足时，对温度调节量的计算影响较小，在热处理中获得较好的控制效果。 在对热处理炉进行技术改造前，原炉的装炉量为5t时，升温至850℃需10h，每小时耗电量为78kW；改造后在同等条件下升温至850℃仅需7h，每小时耗电量为65kW，由此可见，每炉的升温时间缩短3h，节省电能325kW，工作效率与节能效益明显提高。该项目实施一年以来，共节省电能35.36万kW，创造经济效益38.896万元。
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