渗碳炉碳势控制仪表的研究与开发

摘要

渗碳、碳氮共渗是应用最为广泛的化学热处理工艺，随着现代工业对零件热处理要求的提高，工人凭借经验观察渗碳层深度从而调节渗剂通入量的传统方法，已不能满足碳势精确控制的要求，所以碳势控制仪表的需求量增加。然而，进口碳控仪价格昂贵、维修费用高，国产碳控仪具有通用性较差、动态响应慢等缺陷。因此，设计性价比高、通用性强、响应快的碳控仪对推动热处理技术的发展具有重要意义。
　　 本研究以Atmega1280单片机为核心，模块化设计仪表的硬件和软件，并完成样机调试。主要的研究工作如下:
　　 首先确定温度和碳势控制的算法。在详细分析普通PID算法的基础上，提出将此次误差和上次误差取加权平均值后，再进行增量式PID运算的方法。在matlab环境中，对温度和碳势模型进行仿真实验，动态响应曲线表明改进后系统的动态响应速度快，稳态误差小。
　　 然后，设计模拟量输入、控制输出、数据存储、人机接口等硬件电路。设计程控放大电路实现热电偶信号调理，通过软件控制放大倍数，增强了仪表的通用性;设计PWM波转4～20mA电路实现丙烷输出控制，在传统电路的基础上增加稳压电路、MOSFET管及其驱动电路，提高了输出电流的精确性和稳定性;采用大容量存储器AT45DB161D存储多种工艺参数类型，满足渗碳零件多品种、多工艺的需求。
　　 同时，设计信号采集和处理、控制输出、串口通讯等软件模块。采用分段线性插值法计算采集量，提高其准确性，并且该方法只需要存储曲线分段点处的分度表，节约大量的内存空间;采用RS485串口通讯对碳控仪实时监控，并制定合理的数据帧和数据域格式，给用户提供友好的人机操作界面;调节单片机输出PWM波的占空比，改变碳势输出电路的电流值，进而控制电动阀开度，改变丙烷通入量，方法简单、可行性高。
　　 最后，对碳势控制仪表样机进行了调试，结果表明:研究开发的碳控仪表应用效果好，可靠性和精度高，满足各项设计指标要求。研究成果具有较高的工程应用价值，值得向热处理厂推广使用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 碳势控制仪表的研究背景和意义

1．2 国内外碳势控制发展概况

1．3 本文研究的主要内容

第2章 碳势控制仪表的原理和构成

2．1 碳氮共渗气氛的选择

2．2 碳氮共渗的工艺流程

2．3 碳势计算模型及测量方法

2．3．1 碳势计算模型

2．3．2 碳势测量方法

2．4 碳势控制仪表的构成

2．5 本章小结

第3章 仪表控制算法

3．1 仪表控制算法

3．1．1 位置式和增量式PID控制算法

3．1．2 改进的PID控制算法

3．2 本章小结

第4章 系统的硬件设计

4．1 系统整体硬件框图

4．2 核心控制单元AVR Atmega1280单片机介绍

4．3 电源模块设计

4．4 掉电检测模块设计

4．5 模拟量输入模块设计

4．5．1 信号采集电路

4．5．2 信号调理电路

4．5．3 AD转换电路

4．6 控制执行模块设计

4．6．1 温度控制输出电路

4．6．2 渗剂控制输出电路

4．7 数据存储模块设计

4．7．1 AT45DB161D的外围电路

4．7．2 AT45DB161D的读写操作

4．8 人机交互模块设计

4．8．1 仪表界面设计

4．8．2 键盘电路

4．8．3 显示电路

4．8．4 串口通讯电路

4．9 报警电路

4．10 本章小结

第5章 系统的软件设计

5．1 集成开发环境介绍

5．1．1 AVR单片机编译软件

5．1．2 程序下载和调试工具

5．2 系统软件总体框图

5．3 中断服务程序

5．4 键盘程序设计

5．5 信号采集和处理程序设计

5．5．1 模拟信号采集模块

5．5．2 分段线性插值法

5．5．3 数字滤波算法

5．6 串口通讯程序设计

5．6．1 RS485的数据帧格式

5．6．2 RS485通讯数据域格式

5．6．3 RS485通讯数据帧应用举例

5．7 PWM输出程序设计

5．8 本章小节

第6章 碳势控制仪表调试

6．1 硬件调试

6．2 软件调试

6．3 工业现场调试

第7章 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文