【正文】 ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 31 附錄 .................................................................................................................... 32 1 第 1章 緒論 課題背景 2020 年 10 月 1 日 18 時(shí) 59 分 57 秒 345 毫秒，嫦娥 2 號(hào)點(diǎn)火， 19 時(shí)整成功發(fā)射。在飛行后的 29 分 53 秒時(shí)，星箭分離，衛(wèi)星進(jìn)入軌道。 19 時(shí) 56分太陽(yáng)能帆板成功展開 …… 這次探月衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著中國(guó)自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 隨著自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化開始向復(fù)雜的系統(tǒng)控制和高級(jí)的智能控制發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用到國(guó)防、科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的自動(dòng)化，例如大型企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、全國(guó)鐵路自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、國(guó)家電力網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度 系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、城市交通控制系統(tǒng)、自動(dòng)化指揮系統(tǒng)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等。自動(dòng)化的應(yīng)用正從工程領(lǐng)域向非工程領(lǐng)域擴(kuò)展，如醫(yī)療自動(dòng)化、人口控制、經(jīng)濟(jì)管理自動(dòng)化等。自動(dòng)化將在更大程度上模仿人的智能，機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等方面取得顯著效果。工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容，并得到迅速發(fā)展。 古舊文獻(xiàn)資料是記載一個(gè)國(guó)家文明的重要標(biāo)志，如何有效的保護(hù)這些重要文件，已成為當(dāng)務(wù)之急。溫、濕度是影響文獻(xiàn)壽命的最重要因素之 一，所以溫、濕度控制成為文獻(xiàn)保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 根據(jù)傳統(tǒng)的方法，人們主要采用溫度計(jì)、濕度計(jì)來采集溫、濕度值，通過人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫、濕度。但是由于溫、濕度計(jì)精度比較低，以及人工讀數(shù)時(shí)人為因素原因，使得溫、濕度檢測(cè)不僅速度慢，精度低，實(shí)時(shí)性差，而且操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大 隨著人們對(duì)重要文獻(xiàn)保護(hù)的重視，針對(duì)文獻(xiàn)資料庫(kù)溫、濕度控制的設(shè)備也相應(yīng)出現(xiàn)。這些由工控機(jī)集中控制的溫、濕度控制系統(tǒng)或由微機(jī)與 PLC組成的分布式溫、濕度控制系統(tǒng)，大都是成本較高，不適合更多中小型文獻(xiàn)資料庫(kù)的應(yīng)用。 針對(duì)我國(guó)目前 文獻(xiàn)保護(hù)資金短缺的問題，我們需要更多經(jīng)濟(jì)科學(xué)使用的監(jiān)控設(shè)備。針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)了相對(duì)精度高、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜的溫、濕度監(jiān)控裝置。利用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)來控制文獻(xiàn)資料庫(kù)的溫、濕度，不僅能夠節(jié)省能源，還能用最低的成本得到最好的控制效果。該控制系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、使用簡(jiǎn)單、成本較低和工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用在文獻(xiàn)資料庫(kù)，也可以應(yīng)用在溫室大棚、畜牧業(yè)中的孵化和飼養(yǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)、糧食儲(chǔ)藏一級(jí)家居環(huán)境控制領(lǐng)域，具有一定的推廣價(jià)值。 2 研究現(xiàn)狀 單片機(jī)又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 國(guó)外溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 自 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器數(shù)字控制器 測(cè)量與變送裝置 電加熱爐 執(zhí)行器 給定值 爐溫儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 它們主要具有如下的特點(diǎn)： 1． 適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。 2． 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。 3． 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。 4． 這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。 5． 普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí) 功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。 6． 溫度濕度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的機(jī)械。進(jìn)入電器時(shí)代后，人們借助電氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制機(jī)械，自動(dòng)生 產(chǎn)線甚至自動(dòng)工廠，并且大大地發(fā)展了控制理論。然而，在一些大 中型系統(tǒng)中自動(dòng)化結(jié)果均不理想。只有在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，人們才見到了希望的曙光。如今借助計(jì)算機(jī)逐漸實(shí)現(xiàn)了人類的夢(mèng) 想。但是，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后的相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)作為科學(xué)武器，在科學(xué)的 神圣殿堂里默默地工作，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控領(lǐng)域并沒有得到真正的 應(yīng)用。只有在單片機(jī)（ Microcontroller） 出現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)才真正地從科學(xué)的神圣殿堂走入尋常百姓家，成為廣大工程技術(shù)人員現(xiàn)代 化技術(shù)革新，技術(shù)革命的有利武器。目前，單片機(jī)在民用和工業(yè)測(cè) 控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。彩電，冰箱，空調(diào)，錄像機(jī)， VCD，遙控器，游戲機(jī)，電飯煲等無處不見單片機(jī)的影子，單片機(jī)早已深深 地溶入我們每個(gè)人的生活之中。 單片機(jī)能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，易用 性及節(jié)能性等主要性能指標(biāo)，給我們的生活帶來舒適和方便的同時(shí)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。單片機(jī)按用途大體上可分為兩大類： 3 1． 通用型單片機(jī) 2． 專用型單片機(jī) 專用型單片機(jī)是指用途比較專一，出廠時(shí)程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修改的單片機(jī)。例如電子表里的單片機(jī)就是其中的一種。其生產(chǎn)成本很低。 通用型單片機(jī)的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng)用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機(jī)器設(shè)備和整套生產(chǎn)線都可用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 目前，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外的差距主 要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 1． 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強(qiáng)，制約技術(shù)發(fā)展。 2． 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國(guó)外差距較大。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表。 3． 儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國(guó)外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加熱、加濕、通風(fēng)和降溫設(shè)備來 控制溫、濕度。但是由于溫、濕度計(jì)精度比較低，以及人工讀數(shù)時(shí)人為因素原因，使得溫、濕度檢測(cè)不僅速度慢，精度低，實(shí)時(shí)性差，而且操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大。 可以說，二十世紀(jì)跨越了三個(gè) “電 ”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PC 機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的 “肚子 ”里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 ——“智能型 ”，如智能型洗衣機(jī)等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡(jiǎn)單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個(gè)方向發(fā)展；這三個(gè)方向就是：巨型 化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理的仍然是巨型機(jī)在起作用，故而，巨型機(jī)在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，Intel 公司就給其單片機(jī)取名為嵌入式微控制器（ embedded microcontroller）。單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。 數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展：數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消 4 耗、外部電壓等級(jí)以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機(jī)的水平。在目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來越多，但 是，要求也越來越高。下面分別就這四個(gè)方面說明單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步狀況。 1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)步 單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口， Watchdog電路， LCD 控制器等。 有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN。例如， Infineon 公司的 C505C， C515C， C167CR， C167CS32FM，81C90； Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特別是在單片機(jī) C167CS32FM中，內(nèi)部還含有 2 個(gè) CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 為了能在變頻控制中方便使用單片機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路，這些單片機(jī)有 Fujitsu 公司的 MB89850 系列、 MB89860 系列； Motorola 公司的MC68HC08MR1 MR24 等。在這些單片機(jī)中，脈寬調(diào)制電路有 6 個(gè)通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控制等功能。 特別引人注目的是：現(xiàn)在有 的單片機(jī)已采用所謂的三核（ TrCore）結(jié)構(gòu)。這是一種建立在系統(tǒng)級(jí)芯片（ System on a chip）概念上的結(jié)構(gòu)。這種單片機(jī)由三個(gè)核組成：一個(gè)是微控制器和 DSP 核，一個(gè)是數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器核，最后一個(gè)是外圍專用集成電路（ ASIC）。這種單片機(jī)的最大特點(diǎn)在于把 DSP 和微控制器同時(shí)做在一個(gè)片上。雖然從結(jié)構(gòu)定義上講， DSP 是單片機(jī)的一種類型，但其作用主要反映在高速計(jì)算和特殊處理如快速傅立葉變換等上面。把它和傳統(tǒng)單片機(jī)結(jié)合集成大大提高了單片機(jī)的功能。這是目前單片機(jī)最大的進(jìn)步之一。這種單片機(jī)最典型的有 Infineon公司的 TC10GP； Hitachi 公司的 SH7410， SH7612等。這些單片機(jī)都是高檔單片機(jī)， MCU 都是 32 位的，而 DSP 采用 16 或 32 位結(jié) 構(gòu)，工作頻率一般在 60MHz 以上。 2． 功耗、封裝及電源電壓的進(jìn)步 現(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式。 Philips 公司的單片機(jī) P87LPC762 是一個(gè)很典型的例子，在空閑時(shí)，其功耗為 mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有 。而在功耗上最令人驚嘆的是 TI 公司的單 片機(jī) MSP430 系列，它是一個(gè) 16 位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有 LPM LPM LPM4 三種。當(dāng)電源為 3V 時(shí)，如果工作于 LMP1 方式，即使外圍電路處于活動(dòng)，由于 CPU 不活動(dòng)，振蕩器處于 1～ 4MHz，這時(shí)功耗只有 50mA。在 LPM3 時(shí)，振蕩器處于 32kHz，這時(shí)功耗只有 。在LPM4 時(shí)， CPU、外圍及振蕩器 32kHz 都不活動(dòng)，則功耗只有 。 現(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機(jī)也大量 5 采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。在這種形勢(shì) 中，Microchip 公司推出的 8 引腳的單片機(jī)特別引人注目。這是 PIC12CXXX 系列。它含有 ～ 2K 程序存儲(chǔ)器， 25～ 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 6 個(gè) I/O 端口以及一個(gè)定時(shí)器，有的還含 4 道 A/D ，完全可以滿足一些低檔系統(tǒng)的應(yīng)用。擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機(jī)都可以在 ～ 的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在～ 6V 的條件下工作的單片機(jī)。這些單片機(jī)有 Fujitsu 公司的 MB89191～89195， MB89121～ 125A， MB89130 系列等，應(yīng)該說該公司的 F2MC8L 系列單片機(jī)絕大多數(shù)都滿足 ～ 6V 的工作電壓條件。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作電壓也是低達(dá) 的。 以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的另外一個(gè)名稱就是嵌入式微控制器，原因在于 它可以嵌入到任何微型或小型儀器或設(shè)備中。目前，把單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)和 Inter 連接已是一種趨勢(shì)。但是， Inter 一向是一種采用肥服務(wù)器，瘦用戶機(jī)的技術(shù)。這種技術(shù)在互聯(lián)上存儲(chǔ)及訪問大量數(shù)據(jù)是合適的，但對(duì)于控制嵌入式器件就成了 “ 殺雞用牛刀 ” 了。要實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備和 Inter 連接，就需要把傳統(tǒng)的 In