【文章內(nèi)容簡介】 整個系統(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（microcontroller）兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般用運算放大器、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)點是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。根據(jù)計算機控制理論可知，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相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的實時性得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電器關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元CPU（Central Processing Unit）、隨即存取存儲器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲器 ROM（Read only Memory）、定時/ 計數(shù)器以及I/O（Input/Output）輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是：功能強大運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法有軟件實現(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芯片通常含有一個微處理器核（CPU） ， 同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器（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，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。從實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，SOC是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能發(fā)面也各有所長。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁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。本系統(tǒng)選擇C8051F020 為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴展芯片時，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴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時性，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)，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，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，而實際上卻是簡單的控制器。此外，在設(shè)計PID控制器時，傳統(tǒng)的做法是依靠經(jīng)驗和試驗在系統(tǒng)調(diào)試時確定PID控制器的參數(shù)K p、K i、K d，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，再由工程人員重新手動進(jìn)行選擇。然而，被控系統(tǒng)在實際運行中會受到負(fù)荷變化、外界噪聲等各種因素的干擾，都會引起被控對象的近似數(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)計控制器時，一個關(guān)鍵的問題就是如何實現(xiàn)PID參數(shù)的實時整定。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（論文） 第 8 頁2 硬件設(shè)計 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主控模塊、前向通道模塊、后向通道模塊、人機接口模塊和接口擴展模塊等組成。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 單片機為核心，外擴鍵盤輸入、LED、LCD顯示和超溫報警裝置等外圍電路實現(xiàn)的。電爐的溫度由鎢錸熱電偶溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進(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?。M(jìn)而達(dá)到對電爐溫度進(jìn)行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)要求的溫度范圍，單片機就會向報警裝置發(fā)出指令，從而進(jìn)行超溫報替。SPI下載接口與JTAG調(diào)試接口是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件升級和在線功能調(diào)試而擴展的接口電路。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁圖22 系統(tǒng)的簡化模型圖在實際的溫度控制儀設(shè)計過程中，要從上述的結(jié)構(gòu)簡化出其模型圖，以便對系統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合溫度控制儀的工作原理，簡單描述電阻爐控制系統(tǒng)的模型，可得本系統(tǒng)的簡化模型圖如圖22所示。 主控模塊的器件選型及設(shè)計 單片機的選用 目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。一般來說，選擇單片機需要考慮以下幾個方面:單片機的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度。程序存儲器容量，I/O引腳數(shù)量等。單片機的增強功能。例如看門狗，多指針，雙串口，RTC（實時時鐘），EEPROM，擴展 RAM， CAN接口，IC接口，SPI接口，USB接口。單片機的存儲介質(zhì)。對于程序存儲器來說，F(xiàn)lash存儲器和OTP（一次性可編程）存儲器相比較，最好是Flash存儲器。芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍工級還是商業(yè)級。如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。供貨渠道是否暢通。應(yīng)能申請樣片，小批量購買應(yīng)有現(xiàn)貨。價格低廉。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)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁并且最好是免費的。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，應(yīng)用指南，設(shè)計方案，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。單片機的抗干擾性能好。單片機種類很多，許多廠家有自己的單片機系列產(chǎn)品，本項目應(yīng)用中要定時對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，數(shù)碼管顯示等功能相對簡單，實時性不太強，運算量不太強，該應(yīng)用還涉及單片機與上位PC機的串口通信，因此選用的單片機應(yīng)該有一個串口。滿足這兩個條件的單片機很多，考慮到價格，實驗室已有的單片機集成開發(fā)環(huán)境和仿真器等因素，選用美國Cyganl公司生產(chǎn)的增強型單片機C8051F020。 C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運行速度是8051的12倍，全指令集運行。熟悉NCS51系列單片機的工程技術(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單片機中，這是因為兩者的內(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)用較廣泛的特點成為C8051F 的代表性產(chǎn)品，其性能價格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競爭力。 C8051F020 片上系統(tǒng)單片機片內(nèi)資源介紹C8051F020單片機與80C51系列單片機的指令系統(tǒng)完全一樣。掌握80C51單片機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。運行速度C8051F020的指令運行速度是一般 80C51系列單片機的10倍以上。因為其CIP51中采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，已經(jīng)沒有了機器周期時序，指令執(zhí)行的最小時序單位為系統(tǒng)時鐘，大部分指令只要1～2個系統(tǒng)周期即可完成。又由于其時鐘系統(tǒng)比80C51的更加完善，有多個時鐘源，且時鐘源可編程，時鐘頻率范圍為0～25 MHz，當(dāng)CIP5l工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25 MHz時，它的峰值速度可以達(dá)到 25 MI／s ，C8051F020已進(jìn)入了8位高速單片機行列。I／ O端口的配置方式C8051F020擁有8個8位的 I／O端口，大量減少了外部連線和器件擴展，有利于提高 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁可靠性和抗干擾能力。其中低4個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，它是通過交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 、XBR2選擇并控制的，它們控制優(yōu)先權(quán)譯碼選擇開關(guān)電路，可將片內(nèi)的計數(shù)器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出及其它的數(shù)字信號配置為在端口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)是一個比較大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，這在所有80C51系列單片機上是一個空白。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 。當(dāng)交叉開關(guān)配置寄存器 XBR0、XBR1和XBR2 中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯“1”時，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” ， 。因為UART0有最高優(yōu)先權(quán)，所以當(dāng)UARTOEN位被設(shè)置為邏輯 “1”時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，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，一個是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 用于將輸入的信號放大，提高A／D的轉(zhuǎn)換精度?？删幊淘鲆鏋椋?、8或16，復(fù)位時默認(rèn)值為1。另一個是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，兩路信號可同步輸出。外部接口C8051F020外設(shè)還增添了三個串行口?？赏瑫r與外界進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，SMBus兼容于I2C串行擴展總線；SPI 串行擴展接口；兩個增強型UART串口。C8051F 020具有基 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能，片內(nèi)的調(diào)試電路通過JTAG接口可提供高速、方便的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F020混合信號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個外部輸入；可編程放人器增益：兩個12位DAC：可以同步輸出，用于產(chǎn)生無抖動波形兩個模擬比較器電壓基準(zhǔn)精確的VDD檢測器和欠壓檢測器（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、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器：可以觀察修改存儲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 廉價而完全的開發(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)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期速度可達(dá)25MIPS（時鐘，頻率為25MHz 時）22個矢量中斷源（4）存儲器包括:4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM （4K+256 ）64K字節(jié)FLASH 存儲器：可以在