基于ATmega16单片机的高炉透气性监测仪表的设计

摘 要

高炉是现代钢铁生产过程中炼铁工序的核心设备，高炉炼铁过程是一个连续的、大规模的、高温的生产过程，是一个复杂的具有多变量的、多环节的被控对象，所以常常发生悬料、崩料、管道行程喷料、炉温骤降等炉况失常现象。为了预报和避免炉况失常等问题，本文提出了利用高炉透气性指数来判断炉况，它是一个能够综合反映炉况失常的参数，可以快速、直观、综合反映高炉炉况。

本文首先介绍了国内外最新高炉炉况监测方法，其次阐述了高炉透气性指数的数学模型，最后介绍了ATMEL公司的单片机，研制出了一款高炉透气性指数监测仪表。

仪表利用ATmega16L自带的A/D转换通道实现对冷风压力、热风压力、炉顶压力及冷风流量四路模拟信号的采集；通过ATmega16L内部的定时/计数器产生的PWM波形来实现对全压差、冷风流量及透气性指数三路模拟量输出供记录仪表使用；通过键选键的配合在显示高炉透气性指数的同时实现冷风压力、热风压力、炉顶压力、冷风流量及全压差五路参数的巡回显示与定点显示；当高炉透气性指数越上、下限时，仪表产生声光报警信号；仪表采用RS-485与上位机实现通信。

关键词： 高炉透气性指数，高炉炉况，ATmega16L，声报警，RS-485

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章  绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 高炉的生产工艺和炉况的判断分析 1

1.2.1 高炉结构与生产工艺 1

1.2.2 高炉冶炼的工艺特点 2

1.2.3 高炉炉况的判断分析 2

1.2.4 国内外高炉炉况判断发展情况 3

第2章  高炉透气性监测仪表的工作原理及总体设计方案 6

2.1 高炉透气监测仪表的工作原理 6

2.1.1 高炉透气性指数的分析 6

2.1.2 高炉透气性的工艺意义 6

2.2 高炉透气性监测仪表的总体设计方案 6

2.2.1 主芯片的选型 7

2.2.2 模拟量输入通道的设计 8

2.2.3 模拟量输出通道的设计 8

2.2.4 通信部分的设计 9

2.2.5 显示部分的设计 9

2.2.6 电源部分和其他功能的设计 10

第3章  高炉透气性监测仪表的主芯片的选型及设计 12

3.1 ATmega16L单片机 12

3.2 单片机的引脚说明及定义 13

3.3 CVAVR的使用说明 14

3.4 主程序设计 17

第4章  模拟量输入与输出通道设计 19

4.1 模拟量输入通道设计 19

4.1.1 转换电路 19

4.1.2 A/D转换子程序设计 20

4.2 模拟输出通道设计 24

4.2.1 PWM波形实现DAC转换的原理 24

4.2.2 PWM到DAC电压输出的电路实现 25

4.2.3 V/I转换电路 26

4.2.4 D/A转换子程序设计 27

第5章  通信与显示报警设计 30

5.1 通信部分的设计 30

5.1.1 RS-485通信 30

5.1.2 RS-485接口芯片-MAX485 31

5.1.3 通信子程序 33

5.2 显示部分的设计 35

5.2.1 LED数码管显示器硬件电路设计 35

5.2.2 显示子程序 38

5.2.3 数据处理子程序 42

5.2.4 键选子程序 45

5.3 辅助显示及报警部分设计 47

5.3.1 硬件设计 47

5.3.2 软件设计 47

第6章  电源电路和其他部分的设计 50

6.1 电源电路的设计 50

6.2 其他部分电路设计 52

6.2.1 复位和键选电路 52

6.2.2 晶振电路 53

6.2.3 电源指示电路 53

结  论 54

致  谢 56

附录1：主要英文参考资料及译文 57

附录2: 系统硬件电路图 72