摘 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，提高产品的质量。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。因此，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。本设计是基于AT89S52单片机的煤气退火炉控制系统。温度控制是工业控制对象中主要的被控对象之一。本设计采用大林算法进行控制，被控对象是退火炉，被控参数是炉内温度。燃料为天然气，通过改变阀门的开度大小来改变天然气与空气的混合气体的流量，从而改变炉内温度。炉温由热电偶进行检测、采集。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。 本文设计的退火炉温度控制系统，其硬件电路所用元件较少、成本低、调节简单；生产出来的产品质量高、可靠性好；软件采用C语言编程，其灵活性高，可读性强，适合未来广阔的市场。关键词：退火炉；温度采集；大林算法；LCD显示AbstractAnnealing furnace is an important equipment for heat treatment of metal, the pressure vessel is heated to a certain temperature and maintain for a period of time, and then let it cool. Its purpose is to eliminate the pressure of pressure vessel. To improve the service life of pressure vessel. Temperature is the main controlled variable annealing furnace, is an important factor to guarantee the quality of the products. Stability and control precision of furnace temperature control directly affects the quality of the products.This design is the control system based on MCU AT89S52 gas annealing furnace. Design of comprehensive utilization of single-chip programmable, flexible use of A/D converter, LCD, temperature to complete the collection, operation control, output display and other functions. A/D can measure the temperature with high precision and wide range, to ensure that the system design precision requirements; operation control part of the main use of singlechip processor system, the collection of data is convenient; the output display part of the use of LCD liquid crystal display, simple and clear. The performance index of the system meets the design requirements. The whole system is simple, convenient operation, friendly user interface.In this paper, the design of the gas furnace control system, the hardware circuit components used less, low cost, simple adjustment; out of the production of products of high quality, good reliability; software is programmed by C language, its high flexibility, readability is strong. For the future market.Key words：annealer；temperature acquisition；computing control ；LCD display目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究现状和发展21.3 本文的研究的主要内容2第2章 方案设计及论证32.1 方案设计32.2 方案论证5第3章 硬件电路设计83.1 温度传感器的选择83.2 气体流量传感器的选择93.3 阀门的选择113.4 A/D转换器的选择123.5 D/A转换器的选择133.6 单片机的选择143.7 温度检测电路的设计153.8 复位电路的设计163.9 晶振电路的设计173.10 电源电路的设计173.11 8255扩展I/O口的设计183.12 多路转换开关的设计193.13 A/D转换电路的设计203.14 D/A转换电路的设计213.15 键盘电路的设计213.16 显示电路的设计223.17 报警电路的设计23III第1章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义退火炉是冶金和机械行业经常用到的热处理工业设备。一般说来，退火处理是生产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，同时保证退火炉内各处的温度均匀。在目前实际生产中，退火炉的种类很多，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%。研究退火炉的意义在于退火是金属热处理中的重要工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。它是将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间，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者工件软化，使其化学成分均匀化，改善其塑性和韧性，并去除其参与应力，或者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。智能温度控制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。所以，本设计研究的单片机退火炉温度自动控制系统十分重要。退火炉采用自动化技术控制温度，对保护生态环境方面也具有重要意义。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意义。1.2 国内外研究现状和发展 随着工业技术的发展，国内外退火产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉的设备性能指标，降低能耗引起了国内外工业行业广泛的重视。近二三十年来，一些工业发达国家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作，开发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热速度、改善炉温均匀性、提高退火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面取得了很好的效果。在国内，退火炉的平均热效率为58%，比工业发达国家的80%约低22个百分点。钢铁退火炉的容量一般为1040吨。通常，每年生产1kt钢铁需要配备1520吨的退火炉1台。铝材退火炉用的能源有电力，柴油，天然气，煤气。炉型有批量的与连续式的，在板、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线材的拉制也必须经过退火，高强度铝合金管、棒、型材的生产也需要退火。1998年国内约有860台退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约180台，80%集中在钢铁企业。自1985年以后，全世界就没有建力连续式气垫退火炉，因为投资大，同时现代化的强气流循环的大型批量退火炉在技术上完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。1.3 本文的研究的主要内容本系统设计的是一个基于单片机的退火炉自动控制系统，根据需要选择单片机为系统的控制核心，对退火炉的温度、流量实时监控。利用温度传感器及信号处理单元将检测到的温度进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示，同时与给定的温度值进行比较,。当到达预定的设定退火温度，便停止供给燃料，既停止加热。通过控制天然气与空气的混合气体的流量（即阀门开度）来控制退火炉的温度高低。本文提出的退火炉以天然气为燃料，炉温采集系统采用N型镍铬硅镍硅热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，同时采用大林算法进行控制。按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及LCD显示功能。 第2章 方案设计及论证2.1 方案设计 本文设计的退火炉选用单片机进行控制。以天然气为燃料，炉温控制系统采用N型镍铬硅镍硅热电偶热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及A/D转换器以获得较高的测温精度，利用AT89S52单片机实现控制，按键盘设定值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及LCD显示功能。系统所得的当前的输出控制量，则由D/A转换单元来完成数/模转换所得到的模拟量来控制阀门开度，从而实现了炉温的自动控制过程。本次设计基于单片机系统设计，本次设计的退火炉控制系统系统包括6大部分，即核心控件（89S52主控模块），复位电路，温度检测电路，按键电路，LCD显示电路，报警电路。主控模块，具有控制功能，主要由AT89S52单片机组成，是退火炉温度控制系统的核心。复位开关连接控制器的RST端，实现复位控制。其系统结构图如图2.1所示：晶振电路复位电路单片机LCD显示电路温度传感器A/D转换器D/A转换器电动调节阀1压力传感器1电动调节阀2压力传感器2电动调节阀3键盘电路