【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 ） 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。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。 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。 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 。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。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。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。本設(shè)計中，采用 PID 控制來實現(xiàn)對溫度的控制。 該系統(tǒng)主要采用軟件來實現(xiàn)對溫度的控制。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。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。 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 。 （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 。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。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。CPU可以將任何一個 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算放大器。由 CKCON 中的定時器時鐘選擇位 T2MT0M 指定。 （ 1） 定時 /計數(shù)器控制寄存器 圖 2－ 7 TCON 控制寄存器 7位： TF1： 定時器 1溢出標志 當定時器 1 溢出時由硬件置位這個標志能被軟件清除當 CPU進入定時器 1中斷服務(wù)程序時它被自動清除。 4位： TR1： 定時器 0 控制 0 定時器 0禁 止。 0 /INT0 是電平觸發(fā)。 0： 定時器 2使用系統(tǒng)時鐘的 12分頻。 02位：未用讀 =00b， 寫 =無關(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。其值決定于兩個導(dǎo)體的材料種 類和接觸點的溫度。 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) (22) 如果回路中各接點溫度相同 ， 即 t=t0， 則回路總電勢 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)體的兩個接點溫度相等，回路中總電勢值不變。 ，溫 度高于 600度時為177。此輸出電流經(jīng)過 250歐姆電阻成為 1～ 5 V DC的電壓信號輸出。4mv( 或 )滿足此項要求即合格。 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，用于交流大功率場合，如交流電動機控制，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)進行觸發(fā)，如圖 216所示。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)，實際中也有 PI 和 PD 控制。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 16 為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。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，因此采用增量式 PID算法來實現(xiàn)。 （ 4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。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)計的 。 顯然由于采樣周期不是無限小的，所以必定會影響系統(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 對象的響應(yīng)特性有：一般幅值的階躍信號輸入時，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 T。輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此即為輸出的飛升曲線圖。這樣就求出一階對象的三個參數(shù) K， T0，τ .再根據(jù)表 32采用經(jīng)驗值法對 pK , IK . DK .查表獲得 PID 的系數(shù)值，從而對確定對 PID 控制器的設(shè)定。從 T1中斷返回后，再從 T0中斷返回主程序，等待下次 T0中斷。 設(shè)置 T0為計數(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—— 對象時間常數(shù) τ —— 對象滯后時間 圖 3－ 10 對象的飛升曲線 （５） 參數(shù)的求取 對于一階對象的放大倍數(shù) K 可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值求得。因為輸入階躍信號若從“零”開始常會有很大的非線性。然后改變給定值，給對象一個階躍信號。當變大時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變壞；當達到某一臨界值時，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 ） 21 圖 3－ 6 振蕩波形示意 圖 系統(tǒng)對象的參數(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， k=0,1,2,3…… ..； ku 第 k 次采樣時刻的計算機的輸出值； ke 第 k 次采樣時刻輸入偏差值； 1ke? 第 k1 次采樣時刻輸入偏差值； 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，氣動和液壓元件）來實現(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的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。當期望值有一個變化時，系統(tǒng)過程 值將產(chǎn)生一個穩(wěn)態(tài)誤差。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計 ） 14 當輸入端電壓信號撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止 ,但晶閘管 仍保持導(dǎo)通，直到負載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時， SSR才轉(zhuǎn)為截止。其輸出波形如圖 215所 示。 XTR101外形采用標準的 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 與被測溫度呈線性關(guān)系，測量精度高。 本設(shè)計采用 K型鎳鉻 鎳硅（鎳鋁）熱電偶，適用于 0℃～ 1000℃的溫度測量范圍，鎳相應(yīng)的輸出電壓為 ，鎳為負極。為了保證測量精度，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，使冷端遠離被測物體，并連同測量儀表一起放到恒溫或溫度波動較小的儀表控制室。 在實際使用熱電偶時，在熱電偶回路中總要接入測量儀表及導(dǎo)線，如圖 211所示： 1為熱電偶ABC； 2為測量儀表； 3為連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動勢主要是由接觸電動勢組成的。當被配置為電平觸發(fā)時，中斷標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求被響應(yīng)。 1： 定時器 1使用系統(tǒng)時鐘。 1： 只有在 TR1=1并且 /INT1=邏輯 1時定時器 1允許。 0 /INT1是電平觸發(fā)。 1定時器 1允許。 定時器 0和定時器 1通過 SFR進行訪問和控制，每個計數(shù)器 /定時器都是 16位寄存器。 圖 2－ 6 模擬運算放大電路 定時器 /計數(shù)器 CIP51有 3個與標準 8051MCU兼容的 16位計數(shù)器 /定時器，它們可用來測量時間間隔，對外部事件計數(shù)和產(chǎn)生周期性的中斷請求。 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 。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