【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 來； （ 3） 具有加熱保護(hù)功能的安全保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過了 系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)； （ 4） 模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便； （ 5） 系統(tǒng)可靠性高，不易出故障； （ 6） 盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到相同零部件進(jìn)行替換。 系統(tǒng)特點(diǎn)： 鑒于上述系統(tǒng)功 能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小 、 功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn)：控制主板采用 C8051F020為核心芯片。作為與 MCS51系列兼容的單片機(jī)，無論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用 鎢錸熱電偶 作為溫度傳感器，而 鎢錸熱電偶 在大溫度范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測(cè)量的過程中必須對(duì) 鎢錸熱電偶 溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測(cè)量的精確度。為了簡(jiǎn)化 系統(tǒng)硬件。本文采用雙向可控硅輸 出，這樣就省去了 D/A轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。 整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則以及軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)余量，以利于擴(kuò)充和修改。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 系統(tǒng)硬件方案分 析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路 （ Analog Circuit） 和單片機(jī)（ microcontroller） 兩種形式。 模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般用 運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響 應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制 。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速度并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的 實(shí)時(shí)性 得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電器關(guān)系來實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 單片機(jī)是大 規(guī) 模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央處理單元 CPU（ Central Processing Unit） 、隨即存取存儲(chǔ)器 RAM（ Random Access Memory） 、只讀存儲(chǔ)器 ROM（ Read only Memory） 、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/O（ Input/Output） 輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是：功能強(qiáng)大運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、 應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法有軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC（ System On Chip） 得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系 統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 SOC芯片應(yīng)用到先 進(jìn)的控制儀表中。 SOC芯片通常含有一個(gè)微處理器核 （ CPU） ， 同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器 （ RAM和 ROM） ，并且這種片上系統(tǒng)一般具 有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它 不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能發(fā)面也各有所長。 C8051F020是 ATMEL公司出品 的與 MCS51系列兼容的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)。本系統(tǒng)選擇 C8051F020為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 系統(tǒng)軟件方案分析 本課題中，由于溫度控制儀要求采樣及控制的實(shí)時(shí)性，用 C語言能夠滿足系統(tǒng)的要求，故在本課題的開發(fā)過程中采用 C語言。 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟 件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。 溫度控制算法方面，基于解析模型的經(jīng)典控制方法主要體現(xiàn)在 PID控制上，這主要是由于 PID控制器的原理簡(jiǎn)單，使用方便的緣故。但是，經(jīng)典控制方法一般是建立在被控對(duì)象精確或近似的數(shù)學(xué)模型上，而數(shù)學(xué)模型的建立本身就存在許多不足之處，因而其表面上看是精確控制，而實(shí)際上卻是簡(jiǎn)單的控制器。此外，在設(shè)計(jì) PID控制器時(shí)，傳統(tǒng)的做法是依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定 PID控制器的參數(shù) Kp、 Ki、 Kd，在隨后的控制過程中 PID參數(shù)一般 是保持不變的，當(dāng)外部條件發(fā)生重大變化時(shí)，再由工程人員重新手動(dòng)進(jìn)行選擇。然而，被控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到負(fù)荷變化、外界噪聲等各種因素的干擾，都會(huì)引起被控對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型參數(shù)變化較大，從而導(dǎo)致控制效果大打折扣?；谏鲜銮樾?，如果能將近似的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況結(jié)合起來，這樣的控制方式往往要比經(jīng)典控制方法精確得多，這就意味著 PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以適應(yīng)改變了的模型。顯然常規(guī) PID控制器是不能滿足這一要求。因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是如何實(shí)現(xiàn) PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。 所以也采用模糊 PID算法。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 2 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 電阻爐智能溫度控制儀硬件部分主要由單片機(jī)主控模塊、前向通道模塊、后向通道模塊、人機(jī)接口模塊和接口擴(kuò)展模塊等組成。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 由框圖可見，本溫度控制系統(tǒng)以 C8051F020單片機(jī)為核心，外擴(kuò)鍵盤輸入、 LED、LCD顯示和超溫報(bào)警裝置等外圍電路實(shí)現(xiàn)的。電爐的溫度由 鎢錸熱電偶 溫度傳感器檢測(cè)并 轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，溫度變送器將此弱信號(hào)進(jìn)行非線性校正及電壓 /電流變換后以4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形式傳送出去，接收端的 I/V變換及放 大電路將 4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)變換放大至 0~5 V電壓，再經(jīng)有源低通濾波器濾波后，由 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，一方面將電爐溫度經(jīng)人機(jī)面板上的 LED數(shù)碼管顯示出來 ：另一方面將該溫度值與被控制值 （ 由鍵盤輸入的設(shè)定溫度值 ） 進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用 PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過 D/A轉(zhuǎn)換電路 （ 這里采用 PWM調(diào)功方式，相當(dāng)于 D/A轉(zhuǎn)換器 ） 控制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比 （ 即控制電阻爐平均功率的大小 ） ，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電爐溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過了系統(tǒng)要求 的溫度范圍，單片機(jī)就會(huì)向報(bào)警裝置發(fā)出指令，從而進(jìn)行超溫報(bào)替。 SPI下載接口與 JTAG調(diào)試接口是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件升級(jí)和在線功能調(diào)試而擴(kuò)展的接口電路。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 圖 22 系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型圖 在實(shí)際的溫度控制儀設(shè)計(jì)過程中，要從上述的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化出其模型圖，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合溫度控制儀的工作原理，簡(jiǎn)單描述電阻爐控制系統(tǒng)的模型，可得本系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型圖如圖 22所示 。 主控模塊的器件選型及設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選用 目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。一般來說，選擇單片機(jī)需要考慮 以下幾個(gè)方面 : 單片機(jī)的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度 。 程序存儲(chǔ)器容量， I/O引腳數(shù)量等。 單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門狗，多指針，雙串口， RTC（ 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 ） ， EEPROM，擴(kuò)展 RAM， CAN接口， IC接口， SPI接口， USB接口。 單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說， Flash存儲(chǔ)器和 OTP（ 一次性可編程 ）存儲(chǔ)器相比較，最好是 Flash存儲(chǔ)器。 芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)還是商業(yè)級(jí)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。 供貨渠道是否暢通。應(yīng)能申請(qǐng)樣片，小批量購買應(yīng)有現(xiàn)貨。 價(jià)格低廉。 是否具有技術(shù)服務(wù)支持。比如周立功公司推 Philips，雙龍公司推 AVR，都提供了很多有用的技術(shù)支持。 單片機(jī)匯編語言應(yīng)是自己熟悉的，并且能支持 C語言。編程環(huán)境要好用易學(xué)，并且最好是免費(fèi)的。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 技術(shù)支持網(wǎng)站的速度如何，資料是否豐富。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。最好有中文資料，像 Atrnel公司在這方面就做得很好。 單片機(jī)的抗干擾性能好。 單片機(jī)種類很多，許多廠家有自己的單片機(jī)系列產(chǎn)品，本項(xiàng)目應(yīng)用中要定時(shí)對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，數(shù)碼管顯示等功能相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性不 太強(qiáng)，運(yùn)算量不太強(qiáng)，該應(yīng)用還涉及單片機(jī)與上位 PC機(jī)的串口通信，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有一個(gè)串口。滿足這兩個(gè)條件的單片機(jī)很多，考慮到價(jià)格，實(shí)驗(yàn)室已有的單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境和仿真器等因素，選用美國 Cyganl公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型單片機(jī) C8051F020。 C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 8051兼容的 CIP51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是 8051的 12倍，全指令集運(yùn)行速度是 原來的 。熟悉 NCS51系列單片機(jī)的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握 C8051F的應(yīng)用技術(shù)并能進(jìn)行軟件的移植。但是不能將 8051的程序完全照搬的應(yīng)用于 C8051F單片機(jī)中，這是因?yàn)閮烧叩膬?nèi)部資源存在較大的差異，必須經(jīng)過加工才能予以使用。其中C8051F020以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點(diǎn)成為 C8051F的代表性產(chǎn)品，其性能價(jià)格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競(jìng)爭(zhēng)力。 C8051F020 片上系統(tǒng)單片機(jī)片內(nèi)資源 介紹 C8051F020單片機(jī)與 80C51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)完全一樣。掌握 80C51單片機(jī)的人員可以很容易地接受 C8051F020的應(yīng)用技術(shù)并能完成相應(yīng)軟件的移植。 運(yùn)行速度 C8051F020的指令運(yùn)行速度是一般 80C51系列單片機(jī)的 10倍以上。因?yàn)槠?CIP51中采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，已經(jīng)沒有了機(jī)器周期時(shí)序，指令執(zhí)行的最小時(shí)序單位為系統(tǒng)時(shí)鐘，大部分指令只要 1～ 2個(gè)系統(tǒng)周期即可完成。又由于其時(shí)鐘系統(tǒng)比 80C51的更加完善，有多個(gè)時(shí)鐘源，且時(shí)鐘源可 編程，時(shí)鐘頻率范圍為 0～ 25 MHz，當(dāng) CIP5l工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 25 MHz時(shí)，它的峰值速度可以達(dá)到 25 MI／ s， C8051F020已進(jìn)入了 8位高速單片機(jī)行列。 I／ O端口的配置方式 C8051F020擁有 8個(gè) 8位的 I／ O端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展，有利于提高可靠性和抗干擾能力。其中低 4個(gè) I／ O端口 除可作為一般的通用 I／ O端口外，還可作為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 其他功能模塊的輸入或輸出引腳，它是通過交叉開關(guān)配置寄存器 XBR0、 XBR XBR2選擇并控制的，它們控制優(yōu)先權(quán)譯碼選擇開關(guān)電路，可將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出及其它的數(shù)字信號(hào)配置為在端口 I／ O引腳出現(xiàn)，這樣用戶可以根據(jù)自己的特定需要選擇所需的數(shù)字資源和通用 I／ O口。數(shù)字交叉開關(guān)是一個(gè)比較大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，這在所有 80C51系列單片機(jī)上是一個(gè)空白。另外 P1MDIN用于選擇P1的輸入方式是模擬輸入還是數(shù)字輸入，復(fù)位值為 11111111B，即默認(rèn) 為數(shù)字輸入方式。而 80C51單片機(jī)的 I／ O引腳是固定分配的，即占用引腳多，配置又不夠靈活。 C8051F020通過優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器控制數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，端口引腳的分配順序是從 。當(dāng)交叉開關(guān)配置寄存器 XBR0、 XBR1和 XBR2中外設(shè)的對(duì)應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯 ―1‖時(shí)，交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)，例如，如果 UARTOEN位（ ） 被設(shè)置為邏輯 ―1‖，則 TX0和 RX0引腳將分別被分配到 。因?yàn)?UART0有最高優(yōu)先權(quán)，所以當(dāng) UARTOEN位被設(shè)置為邏輯 ―1‖時(shí)其引腳將總是被分配到 。未被設(shè)置的交叉開關(guān)分配端口可作為通用 I／ O口。注意：當(dāng)選擇了串行通信外設(shè)（ 即 SMBus、 SPI或 UART） 時(shí)，交叉開關(guān)將為所有相關(guān)功能分配引腳。例如，不能為UART0功能只分配 TX0引腳而不分配 RX0引腳。交叉開關(guān)寄存器被正確配置后，通過將XBARE（ ） 設(shè)置為邏輯 ―1‖來使能交叉開關(guān)。 內(nèi)部功能 C8051F020內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的 ADC和 DAC，其中 ADC有兩個(gè)，一個(gè)是 8路 12位逐次逼近型 ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為 100 kS／ s．可通過多通道選擇器配置為單端輸入或差分輸入。內(nèi)有可編程增益放大器 PGA用于將輸入的信號(hào)放大，提高 A／ D的轉(zhuǎn)換精度。可編程增益為： 、 8或 16，復(fù)位時(shí)默認(rèn)值為 1。另一個(gè)是