【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(kāi)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。 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(guò)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(lái)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(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)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(zhǎng)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)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。 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(yǔ)言能夠滿足系統(tǒng)的要求，故在本課題的開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用C語(yǔ)言。由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫(xiě)、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(guò)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)K p、K i、K d，在隨后的控制過(guò)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。基于上述情形，如果能將近似的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，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(wèn)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(yè)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(jiàn)，本溫度控制系統(tǒng)以C8051F020 單片機(jī)為核心，外擴(kuò)鍵盤(pán)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(lái)：另一方面將該溫度值與被控制值（由鍵盤(pán)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(guò)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?。?，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(guò)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(yè)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(guò)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(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，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(mén)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(lái)說(shuō)，F(xiàn)lash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(gòu)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(yǔ)言應(yīng)是自己熟悉的，并且能支持C語(yǔ)言。編程環(huán)境要好用易學(xué)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)并且最好是免費(fèi)的。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(kāi)發(fā)環(huán)境和仿真器等因素，選用美國(guó)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。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(guò)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C8051F 020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)槠銫IP51中采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，已經(jīng)沒(méi)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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè)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，還可作為其他功能模塊的輸入或輸出引腳，它是通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 、XBR2選擇并控制的，它們控制優(yōu)先權(quán)譯碼選擇開(kāi)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(kāi)關(guān)是一個(gè)比較大的數(shù)字開(kāi)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(guò)優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器控制數(shù)字開(kāi)關(guān)網(wǎng)路，端口引腳的分配順序是 。當(dāng)交叉開(kāi)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(kāi)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” ， 。因?yàn)閁ART0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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)寄存器被正確配置后，通過(guò)將XBARE（）設(shè)置為邏輯“1”來(lái)使能交叉開(kāi)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(guò)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?？删幊淘鲆鏋椋骸?或16，復(fù)位時(shí)默認(rèn)值為1。另一個(gè)是8路8位ADC ，可編程轉(zhuǎn)換速率最大為500 kS／s，、4，復(fù)位。有2個(gè)12位的DAC，用于將12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓量，可產(chǎn)生連續(xù)變化的波形，兩路信號(hào)可同步輸出。外部接口C8051F020外設(shè)還增添了三個(gè)串行口。可同時(shí)與外界進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，SMBus兼容于I2C串行擴(kuò)展總線；SPI 串行擴(kuò)展接口；兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口。C8051F 020具有基 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè)于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能，片內(nèi)的調(diào)試電路通過(guò)JTAG接口可提供高速、方便的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F020混合信號(hào)ISP FLASH微控制器（1）模擬外設(shè)包括:SAR ADC：12位（C8051 F020/ 1）； 177。1LSB INL； 可編程轉(zhuǎn)換速率，最大100ksps； 可多達(dá)8個(gè)外部輸入，可編程為單端輸入或差分輸入；可編程放大器增益:11； 數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器；內(nèi)置溫度傳感器（ 177。30C176。）8位ADC：可編程轉(zhuǎn)換速率，最大500ksps；8個(gè)外部輸入；可編程放人器增益：兩個(gè)12位DAC：可以同步輸出，用于產(chǎn)生無(wú)抖動(dòng)波形兩個(gè)模擬比較器電壓基準(zhǔn)精確的VDD檢測(cè)器和欠壓檢測(cè)器（2）片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描包括：片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器）支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器：可以觀察修改存儲(chǔ)器和寄存器比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能符合IEEE 廉價(jià)而完全的開(kāi)發(fā)套件（3）高速8051微控制器內(nèi)核包括:流水線指令結(jié)構(gòu)：70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期速度可達(dá)25MIPS（時(shí)鐘，頻率為25MHz 時(shí)）22個(gè)矢量中斷源（4）存儲(chǔ)器包括:4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM （4K+256 ）64K字節(jié)FLASH 存儲(chǔ)器：可以在