【正文】 ....................................................................................38 結(jié)論 ............................................................................................................................................39 致謝 ............................................................................................................................................40 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................................41 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 1 緒論 問(wèn)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(jiàn)的過(guò)程變量。其中溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程 變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、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(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)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(wèn)題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)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(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。 對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，較 為傳統(tǒng)的是實(shí)驗(yàn)室人員根據(jù)材料的燒成制度來(lái)調(diào)節(jié)電爐的輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的溫度控制。一般的有兩種方法 :第一種就是手動(dòng)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(jiǎn)單的儀表 ,使得保溫階段能夠自動(dòng) ,但這兩種方法的升溫過(guò)程都是依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié) ,并不能精確的按照給定的升降溫速度來(lái)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(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，簡(jiǎn)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(dòng)化水平 ,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提高電爐溫度的控制精度 具有較好的意義。在單片機(jī)領(lǐng)域， C51 系列單片微機(jī)具有很強(qiáng)的功能 ， 處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量與控制方面，控制簡(jiǎn)單方便，測(cè)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(wú)須外加 ， 使用范圍廣，既可構(gòu)成功能很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，也可組成較簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng) 。 利用單片機(jī) 通過(guò) PID的控制 對(duì)電阻爐的溫度控制進(jìn)行改造后的系統(tǒng)具有控溫精度高、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低，簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)利用單片機(jī)來(lái)控制爐溫，使其達(dá)到預(yù)期值溫度，需要多次采樣 爐溫值，利用PID 算法來(lái)對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)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(jì)結(jié)果應(yīng)是實(shí)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(jì)采用經(jīng)典算法 PID 控制，通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)需求，通過(guò)采樣，A/D轉(zhuǎn)換 ,濾波等一系列步驟，與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)用 PID來(lái)是系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值的范圍內(nèi)， PID計(jì)算值來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)電阻絲進(jìn)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(jì) ） 2 第一章 電阻爐溫度控制系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 溫度是 工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)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(jī)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(jì)的控制對(duì)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(gè)由 C8051F060 單片機(jī)控制的電阻爐溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。其目的在于對(duì)電 阻爐的溫度進(jìn)行精確控制，從而得到需要的溫度。 為了達(dá)到較為理想的結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)思路是： 首先利用熱電偶對(duì)電阻爐的溫度 進(jìn) 行采集 ，通過(guò)數(shù)字濾波，并將此檢測(cè)值與給定值 比較，然后 將其差值進(jìn)行 PID 控制運(yùn)算，其控制輸出量通過(guò) 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(shí)間是通過(guò)觸發(fā)脈沖加以控制的）直接去控制可控硅接通時(shí)間 來(lái) 對(duì)電阻爐進(jìn)行控制 ，以達(dá)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)大致框圖，其包括了整個(gè)設(shè)計(jì)思路 。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 3 第二章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) C8051F060 單片機(jī)簡(jiǎn)介 C8051F060 單片機(jī)的基本特點(diǎn) 圖 2－ 1 C8051F060 原理圖 （１）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu) ,速度可達(dá) 25MIPS（ 25MHZ晶振） ,比普通的 51單片機(jī)快 10倍 。其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列 51單片機(jī)兼容 。 因而掌握開(kāi)發(fā)過(guò)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(kuò)至 64KB）、 59 個(gè)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(cè)和看門(mén)狗等功能。由于 C8051F060的高集成度 ,因而無(wú)需外擴(kuò) ROM、 RAM、 AD、 DA、 WATCHDOG(看門(mén)狗定時(shí)器 )、可編程 I/O 口和EEPROM（用片內(nèi) FLASH 實(shí)現(xiàn)） ,從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路 ,并為構(gòu)成以 C8051F060 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件 ,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。 （ ３）片內(nèi)集成有２個(gè) UART、１個(gè) SM（兼容 I2Ｃ）和１個(gè) SPI （４）可編程的１６位計(jì)數(shù)器陣列 PAC 有６個(gè)捕捉／比較模塊和５個(gè)通用１６位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器 ,這一為要求定時(shí)器／計(jì)數(shù)器具有較多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了方便。 （５） C8051F060能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的要求 ,能夠形成以 C8051F060 為核心的單片機(jī)系統(tǒng) ,如果配以外圍測(cè)量單元 ,還可形成完整的測(cè)控節(jié)點(diǎn) 。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 4 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 圖 21 是 C8051F060 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖。顯然，該單片機(jī)采用了標(biāo)準(zhǔn) 8051 的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址的結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)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(jī) 256 字節(jié)， 還有 4KB 片上 XRAM 和可外擴(kuò) 64KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的接口。 圖 2－ 2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖 （ 1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)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(wèn) 128 字節(jié)通用 RAM，直接尋址訪問(wèn) 128 字節(jié)的特殊功能寄存器 SFR 地址空間，這個(gè)空間又分為 256 個(gè) SFR 頁(yè)，由特殊功能寄存器 SFRPAGE 來(lái)切換。這樣，單片機(jī)就有足夠的 SFR 來(lái)設(shè)定和配制各種接口資源，并為以后擴(kuò)展預(yù)留了足夠的空間， 低端的 128 字節(jié) RAM 可通過(guò)直接或間接尋址來(lái)訪問(wèn)，這和 8051 單片機(jī)的 RAM 完全一樣。其中前 32 個(gè)字節(jié)是 4 個(gè)通用工作寄存器區(qū)，接下來(lái)的 16 字節(jié) 可以按字節(jié)尋址，也可以按位尋址。 C8051F060 單片機(jī)還有一個(gè) 4KB 的片內(nèi) XRAM，其尋址范圍以 4KB 為邊界覆蓋整個(gè) 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。另外，該單片機(jī)還有一個(gè)外部存儲(chǔ)器接口 EMIF，用于訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址范圍可以只映射為片內(nèi)存儲(chǔ)器、片外存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)參數(shù)。 （ 2）程序存儲(chǔ)器 C8051F060單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器為 64KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，它能以 512 字節(jié)為扇區(qū)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，無(wú)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(chǔ)器，可以作為非易失 存儲(chǔ)器，由軟件來(lái)訪問(wèn) ,它最適合用于存放系統(tǒng)參數(shù)等 。 64KB 的 Flash 存儲(chǔ)器區(qū)除了可以存放程序代碼外，也可以用來(lái)存放非易失數(shù)據(jù)。既可以在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，通過(guò) JTAG接口編程，也可以用 MOV指令來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件編程 。注意，在對(duì) Flash存儲(chǔ)器操作時(shí)，讀操作用 MOVC 指令，寫(xiě)操作用 MOVX 指令，若用 MOVX 讀操作時(shí)，只能讀到XRAM 區(qū)。另外，要特別搞清楚程序存儲(chǔ)讀 /寫(xiě)控制寄存器 PSCTL和 Flash 存儲(chǔ)器控制寄存器 FLSCL的各個(gè)位的確切含義。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 5 圖 2－ 3 C8051F060 外觀圖 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 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(gè) 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(shí)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(gè) 8位 ADC子系統(tǒng)，即 ADC1，它有一個(gè) 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(shí)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(jī)制，允許用軟件命令、定時(shí)器溢出或外部信號(hào)輸入啟動(dòng) 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(gè)電壓比較器。 CPU通過(guò) SFRS 控制數(shù)模轉(zhuǎn)換和比較器。CPU可以將任何一個(gè) 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(shí)器 定時(shí)器 3及定時(shí)器 4的溢出信號(hào)更新 DAC輸出。 （ 1） 多路模擬開(kāi)關(guān)切換電路 因?yàn)?C8051F060 只有 2 路高速 A／ D 轉(zhuǎn)換器，而實(shí)際上有 4 路模擬量需要采集，故需要一個(gè)多路模擬切換開(kāi) 關(guān)。 NLAS4684 是兩路單刀雙執(zhí) CMOS 模擬切換開(kāi)關(guān)，具有很低的導(dǎo)通電阻。當(dāng)ADO_CON、 ADl– CON 為高電平時(shí)，運(yùn)放的輸出 OUT2 進(jìn)入 ADO 進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT4 進(jìn)入 ADl進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換；當(dāng) ADO_CON、 ADl– CON 為低電平時(shí)，運(yùn)放的輸出 OUTl進(jìn)入ADO 進(jìn) 行 A／ D 轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出 OUT3 進(jìn)入 AD1 進(jìn)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(jì) ） 7 圖 2－５ 多路模擬開(kāi)關(guān)切換電路 （ 2） 模擬運(yùn)算放大電路 LM13 R R