【正文】 ....................................................................................38 結(jié)論 ............................................................................................................................................39 致謝 ............................................................................................................................................40 參考文獻 .....................................................................................................................................41 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 1 緒論 問題的提出 在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量。其中溫度是一個非常重要的過程 變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。 研究的現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的飛速 發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的智能設(shè)備日益增多，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎 透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快，對設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求。 對于溫度控制系統(tǒng)，較 為傳統(tǒng)的是實驗室人員根據(jù)材料的燒成制度來調(diào)節(jié)電爐的輸出電壓以實現(xiàn)對電爐的溫度控制。一般的有兩種方法 :第一種就是手動調(diào)壓法 ,第二種控制方法在主回路中采取雙向可控硅裝置 ,并結(jié)合一些簡單的儀表 ,使得保溫階段能夠自動 ,但這兩種方法的升溫過程都是依賴于試驗者的調(diào)節(jié) ,并不能精確的按照給定的升降溫速度來調(diào)節(jié)。而采用以參數(shù)自整定 PID 控制為基礎(chǔ)的溫控系統(tǒng)具有自動檢測、數(shù)據(jù)實時采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，簡單、可靠 , 具有真正的智能化和靈活性，大大提高了控制質(zhì)量及自動化水平 ,具有良好的經(jīng)濟效益，對提高電爐溫度的控制精度 具有較好的意義。在單片機領(lǐng)域， C51 系列單片微機具有很強的功能 ， 處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍 廣 ，精度較高 ， 特別是其集成了 A/D 與 D/A轉(zhuǎn)換器，無須外加 ， 使用范圍廣，既可構(gòu)成功能很強的復(fù)雜系統(tǒng)，也可組成較簡單的應(yīng)用系統(tǒng) 。 利用單片機 通過 PID的控制 對電阻爐的溫度控制進行改造后的系統(tǒng)具有控溫精度高、功能強、體積小、價格低，簡單靈活等優(yōu)點，很好的滿足了工藝要求。 研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)與方法 主要內(nèi)容： 該設(shè)計利用單片機來控制爐溫，使其達到預(yù)期值溫度，需要多次采樣 爐溫值，利用PID 算法來對固態(tài)繼電器進行通斷控制，加熱電阻絲，使其溫度與預(yù)期值相當(dāng)。設(shè)計結(jié)果應(yīng)是實際值與設(shè)定值誤差甚少，結(jié)果良好。 溫度控制范圍：室溫 — 500oC。 控制精度為 177。1186。C。 目標(biāo)與方法： 本設(shè)計采用經(jīng)典算法 PID 控制，通過單片機來實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計需求，通過采樣，A/D轉(zhuǎn)換 ,濾波等一系列步驟，與設(shè)定值進行比較運用 PID來是系統(tǒng)達到設(shè)定值的范圍內(nèi)， PID計算值來控制可控硅的導(dǎo)通時間，對電阻絲進行加熱處理，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 2 第一章 電阻爐溫度控制系統(tǒng) 總體設(shè)計 溫度是 工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。本設(shè)計的控制對象為一箱型電阻爐，輸入為加在電阻絲兩斷的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度?？販胤秶?室溫 ～ 500℃，控制精度：177。1℃。 系統(tǒng)是一個由 C8051F060 單片機控制的電阻爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。其目的在于對電 阻爐的溫度進行精確控制，從而得到需要的溫度。 為了達到較為理想的結(jié)果，本設(shè)計采用的設(shè)計思路是： 首先利用熱電偶對電阻爐的溫度 進 行采集 ，通過數(shù)字濾波，并將此檢測值與給定值 比較，然后 將其差值進行 PID 控制運算，其控制輸出量通過 C51引腳和放大電路，使其輸入的高電平 （ 固態(tài)繼電器的接通時間是通過觸發(fā)脈沖加以控制的）直接去控制可控硅接通時間 來 對電阻爐進行控制 ，以達到接近設(shè)定溫度值 。 溫度控制系統(tǒng)組成框圖 如下 圖 1－１ 系統(tǒng)圖 上圖是整個系統(tǒng)設(shè)計的一個大致框圖，其包括了整個設(shè)計思路 。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 3 第二章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計 C8051F060 單片機簡介 C8051F060 單片機的基本特點 圖 2－ 1 C8051F060 原理圖 （１）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu) ,速度可達 25MIPS（ 25MHZ晶振） ,比普通的 51單片機快 10倍 。其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列 51單片機兼容 。 因而掌握開發(fā)過程非常容易 。該芯片的 JTAG調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程 ,且不占用片內(nèi)資源。 （２）片上集成有 64KＢ Ｆ lash、 4352Ｂ內(nèi)部 RAM（ 256＋ 4KB,可外擴至 64KB）、 59 個Ｉ／Ｏ口、 ２通道 16 位１Ｍ SPS的可編程增益 Ａ DC、８通道 10 位 200KSPS可編程增益 ADC、２路 12 位DAC、３路模擬比較器、內(nèi)部電壓基準(zhǔn) 以及片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測和看門狗等功能。由于 C8051F060的高集成度 ,因而無需外擴 ROM、 RAM、 AD、 DA、 WATCHDOG(看門狗定時器 )、可編程 I/O 口和EEPROM（用片內(nèi) FLASH 實現(xiàn)） ,從而大大簡化了硬件電路 ,并為構(gòu)成以 C8051F060 為核心的單片機系統(tǒng)創(chuàng)造了條件 ,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。 （ ３）片內(nèi)集成有２個 UART、１個 SM（兼容 I2Ｃ）和１個 SPI （４）可編程的１６位計數(shù)器陣列 PAC 有６個捕捉／比較模塊和５個通用１６位計數(shù)器／定時器 ,這一為要求定時器／計數(shù)器具有較多的測控節(jié)點提供了方便。 （５） C8051F060能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測控節(jié)點的要求 ,能夠形成以 C8051F060 為核心的單片機系統(tǒng) ,如果配以外圍測量單元 ,還可形成完整的測控節(jié)點 。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 4 存儲器結(jié)構(gòu) 圖 21 是 C8051F060 單片機的存儲器結(jié)構(gòu)圖。顯然，該單片機采用了標(biāo)準(zhǔn) 8051 的程序和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址的結(jié)構(gòu)，程序存儲器為 64KB 的 Flash 結(jié)構(gòu)，外加 128 字節(jié) Flash；數(shù)據(jù) RAM 除包含標(biāo)準(zhǔn) 51 單片機 256 字節(jié)， 還有 4KB 片上 XRAM 和可外擴 64KB 數(shù)據(jù)存儲器的接口。 圖 2－ 2 存儲器結(jié)構(gòu)圖 （ 1）數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器。內(nèi)部 RAM 包含 256 字節(jié)，其高端 128 字節(jié)為雙映射結(jié)構(gòu)，即間接尋址訪問 128 字節(jié)通用 RAM，直接尋址訪問 128 字節(jié)的特殊功能寄存器 SFR 地址空間，這個空間又分為 256 個 SFR 頁，由特殊功能寄存器 SFRPAGE 來切換。這樣，單片機就有足夠的 SFR 來設(shè)定和配制各種接口資源，并為以后擴展預(yù)留了足夠的空間， 低端的 128 字節(jié) RAM 可通過直接或間接尋址來訪問，這和 8051 單片機的 RAM 完全一樣。其中前 32 個字節(jié)是 4 個通用工作寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié) 可以按字節(jié)尋址，也可以按位尋址。 C8051F060 單片機還有一個 4KB 的片內(nèi) XRAM，其尋址范圍以 4KB 為邊界覆蓋整個 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。另外，該單片機還有一個外部存儲器接口 EMIF，用于訪問片外數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲器尋址范圍可以只映射為片內(nèi)存儲器、片外存儲器或二者的組合，即 4KB 以內(nèi)指向片內(nèi)， 4KB 以上指向外部存儲器接口 EMIF，該 EMIF 可以配置為復(fù)用 和非復(fù)用地址線 /數(shù)據(jù)線兩種方式。編程步驟是：① EMIF 端口的選擇和配置；②確定地址形成非復(fù)用 /復(fù)用和地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用方式；③存儲器方式為片內(nèi)方式，不帶地址選擇的分片方式，有地址選擇的分片方式，片外工作方式；④確定接口定時參數(shù)。 （ 2）程序存儲器 C8051F060單片機的程序存儲器為 64KB 的 Flash 存儲器，它能以 512 字節(jié)為扇區(qū)實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，無需提供片外專用編程電壓，其中從 0xFC00~0xFFFF 的 1024 字節(jié)為保留區(qū)。另外，從0x10000~0x1007F 的 128 字節(jié) Flash 存儲器，可以作為非易失 存儲器，由軟件來訪問 ,它最適合用于存放系統(tǒng)參數(shù)等 。 64KB 的 Flash 存儲器區(qū)除了可以存放程序代碼外，也可以用來存放非易失數(shù)據(jù)。既可以在開發(fā)系統(tǒng)中，通過 JTAG接口編程，也可以用 MOV指令來實現(xiàn)軟件編程 。注意，在對 Flash存儲器操作時，讀操作用 MOVC 指令，寫操作用 MOVX 指令，若用 MOVX 讀操作時，只能讀到XRAM 區(qū)。另外，要特別搞清楚程序存儲讀 /寫控制寄存器 PSCTL和 Flash 存儲器控制寄存器 FLSCL的各個位的確切含義。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 5 圖 2－ 3 C8051F060 外觀圖 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 6 圖 2－ 4 C8051F060 接線圖 模數(shù) /數(shù)模轉(zhuǎn)換器 C8051F060系列內(nèi)部都有一個 ADC子系統(tǒng)，由逐次逼近型 ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成。 ADC工作在 100ksps 的最大采樣速率時可提供真正的 8 位、 10位或 12位精度 .除了 12位的 ADC子系統(tǒng) ADC0之外， C8051F系列 還有一個 8位 ADC子系統(tǒng)，即 ADC1，它有一個 8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器。該 ADC工作在 500ksps的最大采樣速率時可提供真正的 8 位精度。 ADC1的可編程增益放大器的增益可以設(shè)置為 、 2或 4。 ADC1也有 靈活的轉(zhuǎn)換控制機制，允許用軟件命令、定時器溢出或外部信號輸入啟動 ADC1轉(zhuǎn)換；用軟件可以使 ADC1與 ADC0同步轉(zhuǎn)換。 C8051F060系列內(nèi)有兩路 12位 DAC， 2 個電壓比較器。 CPU通過 SFRS 控制數(shù)模轉(zhuǎn)換和比較器。CPU可以將任何一個 DAC置于低功耗關(guān)斷方式。 DAC為電壓輸出模式，與 ADC共用參考電平。允許用軟件命令和定時器 定時器 3及定時器 4的溢出信號更新 DAC輸出。 （ 1） 多路模擬開關(guān)切換電路 因為 C8051F060 只有 2 路高速 A／ D 轉(zhuǎn)換器，而實際上有 4 路模擬量需要采集，故需要一個多路模擬切換開 關(guān)。 NLAS4684 是兩路單刀雙執(zhí) CMOS 模擬切換開關(guān)，具有很低的導(dǎo)通電阻。當(dāng)ADO_CON、 ADl– CON 為高電平時，運放的輸出 OUT2 進入 ADO 進行 A／ D 轉(zhuǎn)換，運放的輸出OUT4 進入 ADl進行 A／ D 轉(zhuǎn)換；當(dāng) ADO_CON、 ADl– CON 為低電平時，運放的輸出 OUTl進入ADO 進 行 A／ D 轉(zhuǎn)換，運放的輸出 OUT3 進入 AD1 進行 A／ D 轉(zhuǎn)換， 如 圖 所示 。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 7 圖 2－５ 多路模擬開關(guān)切換電路 （ 2） 模擬運算放大電路 LM13 R R