【正文】 G=2K1／ R3。 DAC為電壓輸出模式，與 ADC共用參考電平。 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。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。 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。 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 。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。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。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。本設(shè)計(jì)中，采用 PID 控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 該系統(tǒng)主要采用軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。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。 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)。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。 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 。 （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) 。另外，該單片機(jī)還有一個(gè)外部存儲(chǔ)器接口 EMIF，用于訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。另外，要特別搞清楚程序存儲(chǔ)讀 /寫控制寄存器 PSCTL和 Flash 存儲(chǔ)器控制寄存器 FLSCL的各個(gè)位的確切含義。CPU可以將任何一個(gè) DAC置于低功耗關(guān)斷方式。 INA326EA 是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿幅度輸入輸出的儀表運(yùn)算放大器。由 CKCON 中的定時(shí)器時(shí)鐘選擇位 T2MT0M 指定。 （ 1） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器控制寄存器 圖 2－ 7 TCON 控制寄存器 7位： TF1： 定時(shí)器 1溢出標(biāo)志 當(dāng)定時(shí)器 1 溢出時(shí)由硬件置位這個(gè)標(biāo)志能被軟件清除當(dāng) CPU進(jìn)入定時(shí)器 1中斷服務(wù)程序時(shí)它被自動(dòng)清除。 4位： TR1： 定時(shí)器 0 控制 0 定時(shí)器 0禁 止。 0 /INT0 是電平觸發(fā)。 0： 定時(shí)器 2使用系統(tǒng)時(shí)鐘的 12分頻。 02位：未用讀 =00b， 寫 =無(wú)關(guān)。 熱電偶 熱電偶的工作原理 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。其值決定于兩個(gè)導(dǎo)體的材料種 類和接觸點(diǎn)的溫度。 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) (22) 如果回路中各接點(diǎn)溫度相同 ， 即 t=t0， 則回路總電勢(shì) E(t,t0)必為零 ， 即 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)=0 (23) eBC(t0)+eCA(t0) = AB(t0) (24) 24代入 23可得 E(t,t0)=eAB(t)eAB(t0) (25) 式 22 同式 23 完全一樣，由此可見，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相等，回路中總電勢(shì)值不變。 ，溫 度高于 600度時(shí)為177。此輸出電流經(jīng)過 250歐姆電阻成為 1～ 5 V DC的電壓信號(hào)輸出。4mv( 或 )滿足此項(xiàng)要求即合格。 交流型固態(tài)繼電器 交流型固態(tài)繼電器又可分為過零型和移相型兩類，它采用雙向可控硅作為開關(guān)器件，用于交流大功率場(chǎng)合，如交流電動(dòng)機(jī)控制，交流電閥控制等。要指出的是所謂 “ 過零 ” 并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在 10～ 25V或 (10～ 25)V區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，如圖 216所示。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或是不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 16 為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或是有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。增量式控 制算法相較于位置式來說有許多優(yōu)點(diǎn)，因此采用增量式 PID算法來實(shí)現(xiàn)。 （ 4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時(shí)要求輸入控制信號(hào)要保持一定的寬度。式 35 可以改寫成： ( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ( 2 ) ]p I Dp k p k k E n E n k E n k E n E n E n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?） ( 1) P I Dp k p p p? ? ? ? ? (36) PID 控制算法子程序是根據(jù)式 36 設(shè)計(jì)的 。 顯然由于采樣周期不是無(wú)限小的，所以必定會(huì)影響系統(tǒng)的質(zhì)量，在 上式中，分子必然大于分母，控制度必然大于 1，說明 DDC系統(tǒng)質(zhì)量很好；其離開一越大，則系統(tǒng)質(zhì)量越差。 其原則是： ● 若 T0/τ 較小，即 ? 較大，宜選擇較大的控制度 ，即對(duì)應(yīng)于較小的 pk 和較大的 iT ； ● 若 T0/τ 較大，即 ? 較小 ，宜選擇較小的控制度； ● 若 ? 較小， T0不必選大，宜選擇較小的控制度。根據(jù)一階 對(duì)象的響應(yīng)特性有：一般幅值的階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅值即為放大倍數(shù) K，輸出從起始值到達(dá) T。輸出對(duì)應(yīng)也有一個(gè)變化部分，此即為輸出的飛升曲線圖。這樣就求出一階對(duì)象的三個(gè)參數(shù) K， T0，τ .再根據(jù)表 32采用經(jīng)驗(yàn)值法對(duì) pK , IK . DK .查表獲得 PID 的系數(shù)值，從而對(duì)確定對(duì) PID 控制器的設(shè)定。從 T1中斷返回后，再?gòu)?T0中斷返回主程序，等待下次 T0中斷。 設(shè)置 T0為計(jì)數(shù)器方式 2， T1 為方式 1 MOV TL0,06H MOV TH0,06H 。 C8051從 T1中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回主程序，以等待下次 T0中斷。 T0 中斷允許 SETB EA 。 50hSP，堆棧指針初始化 MOV A, 00H 。 系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式。其傳遞函數(shù)是： W(s)=Keτ s/(T0S+1) （ 312） 式中： K—— 放大系數(shù) T0—— 對(duì)象時(shí)間常數(shù) τ —— 對(duì)象滯后時(shí)間 圖 3－ 10 對(duì)象的飛升曲線 （５） 參數(shù)的求取 對(duì)于一階對(duì)象的放大倍數(shù) K 可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號(hào)幅值的比值求得。因?yàn)檩斎腚A躍信號(hào)若從“零”開始常會(huì)有很大的非線性。然后改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)。當(dāng)變大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變壞；當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，系統(tǒng)成為不穩(wěn)定的。 圖 3－ 5 自整定原理示意圖 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 21 圖 3－ 6 振蕩波形示意 圖 系統(tǒng)對(duì)象的參數(shù)可用下式求得： 式中： Ra 為振蕩波形的平均值； a 為滯環(huán)寬度； h=h0h1。 t≈ kT (K=0,1,2,3,??? .) 000 ( ) ( )t kkjjje t d t T e jT T e??????? 1( ) ( ) [ ( 1 ) ] kkeed e t e k T e k Td t T T ?????? 則可得離散的 PID表達(dá)式為： 1001[ ( ) ]k Dk p k j k kj TTu k e e e e uTT ??? ? ? ? ?? （ 31） 100 ()kk p k I j D k kju k e k e k e e u??? ? ? ? ?? （ 32） 上式中 k采樣序號(hào)， k=0,1,2,3…… ..； ku 第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)的輸出值； ke 第 k 次采樣時(shí)刻輸入偏差值； 1ke? 第 k1 次采樣時(shí)刻輸入偏差值； Ik 積分系數(shù)， pIIkTk T? 。 （ 1） 香農(nóng)（ Shannon）采樣定理 max2ww? （ Wmax被采樣信號(hào)的上限角頻率） 給出 了采樣周期的上限。 數(shù)字 PID控制算法 PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是通過硬件（電子元件，氣動(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。 圖 3－ 2 積分控制 （ 3）微分控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。當(dāng)期望值有一個(gè)變化時(shí)，系統(tǒng)過程 值將產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 14 當(dāng)輸入端電壓信號(hào)撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止 ,但晶閘管 仍保持導(dǎo)通，直到負(fù)載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時(shí)， SSR才轉(zhuǎn)為截止。其輸出波形如圖 215所 示。 XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的 14腳 DIP封裝。在配熱電偶和熱電阻的變送器中采用線性化電路，使其輸出電流 I 與被測(cè)溫度呈線性關(guān)系，測(cè)量精度高。 本設(shè)計(jì)采用 K型鎳鉻 鎳硅（鎳鋁）熱電偶，適用于 0℃～ 1000℃的溫度測(cè)量范圍，鎳相應(yīng)的輸出電壓為 ，鎳為負(fù)極。為了保證測(cè)量精度，必須采取措施，使熱電偶冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長(zhǎng)，使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)物體，并連同測(cè)量?jī)x表一起放到恒溫或溫度波動(dòng)較小的儀表控制室。 在實(shí)際使用熱電偶時(shí)，在熱電偶回路中總要接入測(cè)量?jī)x表及導(dǎo)線，如圖 211所示： 1為熱電偶ABC； 2為測(cè)量?jī)x表； 3為連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)主要是由接觸電動(dòng)勢(shì)組成的。當(dāng)被配置為電平觸發(fā)時(shí)，中斷標(biāo)志將跟隨外部中斷輸入引腳的狀態(tài)，外部中斷源必須一直保持輸入有效直到中斷請(qǐng)求被響應(yīng)。 1： 定時(shí)器 1使用系統(tǒng)時(shí)鐘。 1： 只有在 TR1=1并且 /INT1=邏輯 1時(shí)定時(shí)器 1允許。 0 /INT1是電平觸發(fā)。 1定時(shí)器 1允許。 定時(shí)器 0和定時(shí)器 1通過 SFR進(jìn)行訪問和控制，每個(gè)計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器都是 16位寄存器。 圖 2－ 6 模擬運(yùn)算放大電路 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 CIP51有 3個(gè)與標(biāo)準(zhǔn) 8051MCU兼容的 16位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器，它們可用來測(cè)量時(shí)間間隔，對(duì)外部事件計(jì)數(shù)和產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。 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。 ADC1的可編程增益放大器的增益可以設(shè)置為 、 2或 4。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，由軟件來訪問 ,它最適合用于存放系統(tǒng)參數(shù)等 。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