【文章內容簡介】 3行時，其給定值從鍵盤輸入，由微機構成的數(shù)字控制器采用模糊控制算法，進行調節(jié)運算、控制效果較好。D c d t控制器可控硅輸出部分電加熱爐溫度變松器 溫度檢測部件設定值CuI圖 21 單片機爐溫控制系統(tǒng)結構圖 單片機的概述 單片機的概念微型計算機的出現(xiàn)，給人類生活帶來了根本性的變化，它使現(xiàn)代科學研究產生了質的飛躍。而單片機技術的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命。它在工業(yè)控制、數(shù)控采集、智能化儀表、辦公自動化等諸多領域得到了極為廣泛的應用，可以毫不夸張地說，單片機技術的開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展的標志之一。單片微型計算機(Single Chip Micro Computer)簡稱單片機，它是把組成微型計算機的各功能部件：中央處理單元 CPU、一定容量的隨機存儲器 RAM 和只讀存儲器ROM、I/O 接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行口等制作在一塊芯片中的計算機。由于單片機的硬件結構與指令系統(tǒng)的功能都是按工業(yè)控制要求而設計的，常用在工業(yè)檢測、控制裝置中，因而也稱為微控制器（Micro—Controller） 。它具有結構簡單、控制功能強、可靠性高、體積小、價格低等特點。從家用電器、智能化儀器、工業(yè)控制直到火箭導航尖端技術領域都發(fā)揮著十分重要的作用。由于單片機在應用時通常是處于被控系統(tǒng)的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式進行使用，為了強調其“嵌入”的特點，也常常將單片機稱為嵌入式微控制器（EMCU ） 。⑴ 通用單片機和專用單片機根據(jù)控制應用的需要，可以將單片機分成為通用型和專用型兩種類型。 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 4通用型單片機是一種基本芯片，它的內部資源比較豐富，性能全面且適用性強，能覆蓋多種應用需求。用戶可以根據(jù)需要設計成各種不同應用功能的控制系統(tǒng)，即通用單片機有一個再設計的過程。專用單片機芯片是針對一種產品或一種控制應用而專門設計的，設計時已經對系統(tǒng)結構的最簡化、軟硬件資源利用的最優(yōu)化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盤的考慮和論證，所以專用單片機具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。例如電度表和 IC 卡讀寫器上的單片機等。⑵ 單片機與單片機系統(tǒng)前面已經提到：單片微型計算機簡稱單片機，它是指把組成微型計算機的各功能部件集成在一個芯片上構成一個完整的微型機，從而實現(xiàn)微型計算機的基本功能。單片機的內部結構示意圖如圖 11 所示 。圖 2－2 單片機的內部結構示意圖單片機實質上是一個芯片，在實際應用中通常很難將單片機直接和受控對象進行電氣連接，必須外加各種擴展接口電路以及外部設備。單片機系統(tǒng)則是在單片機芯片的基礎上擴展其它電路或芯片構成的具有一定應用功能的計算機系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中，單片機處于核心地位，是構成單片機系統(tǒng)的硬件和軟件基礎。 ⑶ 單片機應用系統(tǒng)與單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機應用系統(tǒng)是以單片機為核心，配以輸入、輸出、顯示、測量和控制等外圍電路和軟件，能實現(xiàn)一種或多種功能的實用系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)是為控制應用而設計的，該系統(tǒng)與控制對象結合在一起使用，是單片機開發(fā)應用的成果。一個單片機的應用系統(tǒng)，除了有單片機芯片以外，還有許多其它外圍電路。單片機應用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的。硬件是單片機應用系統(tǒng)的基礎，軟件則是在硬件的基礎上對其資源 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 5進行合理調配和使用，從而完成應用系統(tǒng)所要求的任務。硬件和軟件二者相互依賴，缺一不可。單片機應用系統(tǒng)的組成示意圖如圖 12 所示。 單片機D / A功率放大 被控對象對象狀態(tài)檢測信號放大A / DL E D 顯示鍵盤圖 2－3 單片機應用系統(tǒng)的硬件結構單片機開發(fā)系統(tǒng)是單片機應用系統(tǒng)開發(fā)調試的工具。主要有：① 邏輯分析儀：只能用于簡單的單片機系統(tǒng)；② 微型計算機：用于復雜的單片機系統(tǒng)；③ 在線仿真器：進行單片機應用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和 EPROM 寫入。⑷ 單片機的程序設計語言和軟件機器語言是用二進制代碼表示的單片機指令，用機器語言構成的程序稱之為目標程序。匯編語言是用符號表示的指令，匯編語言是對機器語言的改進，是單片機最常用的程序設計語言。注意：這兩種語言均與單片機硬件關系密切，這就要求程序設計人員必須精通單片機的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。高級語言：編譯型語言有 PL/M5C5C、MBASIC51 等；解釋型的有 MBASIC和 MBASIC52 等 [2][3]。 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 6 單片機的發(fā)展⑴ 單片機的歷史及發(fā)展概況根據(jù)單片機發(fā)展過程中各個階段的特點，其發(fā)展歷史大概可劃分為以下四個階段：①第一階段（1974～1976）：單片機的初級階段。因工藝限制，單片機采用雙片的形式，而且功能簡單。②第二階段（1976 一 1978）：低性能單片機階段。以 Intel 公司制造的 MCS48 系列單片機為代表。③第三階段（1978 一 1982）：高性能單片機階段。這個階段推出的單片機普遍帶有串行 I/O 口，多級中斷處理系統(tǒng)，16 位定時器／計數(shù)器，片內 ROM、RAM 容量加大，且尋址范圍可達 64K 字節(jié)，有的還內置有 A/D 轉換器。這類單片機的代表是 Intel公司的 MCS51 系列，Motorola 公司的 6810 和 Zilog 公司的 Z8 等。④第四階段（1982 一現(xiàn)在）：8 位單片機的鞏固發(fā)展以及 16 位單片機、32 位單片機推出階段。此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機、32 位單片機及專用型單片機；另一方面不斷完善高檔 8 位單片機，改善其結構，以滿足不同用戶的需要。16 位單片機的典型產品如 Intel 公司生產的 MCS96 系列單片機。而 32 位單片機除了具有更高的集成度外，其振蕩頻率已達 20MHz 或更高，這使 32 位單片機的數(shù)據(jù)處理速度比16 位單片機快許多，性能同 8 位、16 位單片機相比，具有更大的優(yōu)越性。計算機廠家已投放市場的產品就有 70 多個系列，500 多個品種。單片機的產品已占整個微機（包括一般的微處理器）產品的 80%以上，其中 8 位單片機的產量又占整個單片機的產量的 60%以上，因此可以看出，8 位單片機在最近若干年里，在工業(yè)檢測、控制應用上將繼續(xù)占有一定的市場份額。⑵ 單片機的特點及應用領域由于單片機是把微型計算機主要部件都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個微型計算機。因此，單片機具有以下特點：① 小巧靈活、成本低、易于產品化。能組裝成各種智能式測控設備及智能儀器儀表。② 可靠性好，應用范圍廣。單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，抗干擾性強，能適應各種惡劣的環(huán)境，這是其他機種無法比擬的。 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 7③ 易擴展，控制功能強，很容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)， 。單片機的邏輯控制功能很強，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令，可以對邏輯功能比較復雜的系統(tǒng)進行控制。④ 系統(tǒng)內無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序。單片機系統(tǒng)內部一般無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序，只有用戶設計、調試好的應用程序。⑶單片機的應用領域很廣泛，主要包括以下幾個方面：① 工業(yè)方面：各種測控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工業(yè)機器人，智能化儀器，機、電一體化產品。② 智能儀器儀表方面。③ 通訊方面：調制解調器、程控交換技術等。④ 消費產品方面：電動玩具、錄像機、激光唱機等。⑤ 導彈與控制方面：導彈控制、魚雷制導控制、智能武器裝備、飛機導航系統(tǒng)等。⑥ 計算機外部設備及電器方面：打印機、硬盤驅動器、彩色與黑白復印機、磁帶機等。⑦ 多機分布式系統(tǒng)：可用單片機構成分布式測控系統(tǒng)，它使單片機應用進入了一個全新的階段。單片機應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經濟效益，更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。以前采用電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術稱為微控制技術。隨著單片機應用的推廣，微控制技術將不斷發(fā)展完善 [5]。 爐溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與方向國外從 20 世紀 70 年代，我國從 80 年代開始對加熱爐生產過程進行計算機控制技術的研究。隨著檢測設備、儀表、計算機水平的提高，90 年代我國軋鋼企業(yè)配置計算機控制的連續(xù)加熱爐逐漸增多，并進行了不同程度的控制，由于各自的控制內容和使用情況不同，所得到的效果也不盡相同。目前國內在控制理論和關鍵技術方面的開發(fā)與國外先進國家相比差距不是很大，但在真正的應用上與歐美、日本、前蘇聯(lián)等冶金技術較先進國家相比差距較大。從 20 世紀 90 年代末國內許多老企業(yè)，都對加熱爐進 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 8行了計算機燃燒控制方面的改造，計算機幾乎全是選用進口的，檢測設備、儀表部分采用國產的，新上項目大部分整套設備進口。 爐溫控制技術發(fā)展趨勢爐溫控制的另一條最為理想的途徑是人工智能化直接監(jiān)測火焰性能控制燃燒的方法，類似人工燒鋼通過觀察火焰顏色判斷燃燒情況。但由于加熱爐爐膛很大，長40m 以上，寬 5m 以上，是一個時變、分布參數(shù)非線性、大慣性延遲的控制系統(tǒng)，爐氣、鋼錠、墻壁之間的傳熱過程復雜且是非線性的，還有影響燃燒控制的許多不確定因素，目前沒有實用儀器來實現(xiàn)。近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展和實用化，以及計算機技術的進步和檢測設備、儀表性能的提高，專家系統(tǒng)、模糊控制等技術正在加熱爐燃燒控制上得到越來越廣泛的應用。蒙特卡洛隨機思想以及量子物理浮點思想在自動控制方面也引起研究者們的高度重視，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，隨機系統(tǒng)濾波與控制理論也將被應用于爐溫計算機控制中。 建筑大學畢業(yè)設計（論文） 9第三章 爐溫控制系統(tǒng)軟硬件總體方案 單片機控制系統(tǒng)設計步驟單片機控制系統(tǒng)設計的一般步驟如下： 系統(tǒng)總體設計確定單片機控制系統(tǒng)的總體方案，是系統(tǒng)設計中十分重要的一步。合理的總體設計來自對于系統(tǒng)要求的全面分析和對于實現(xiàn)方法的正確選擇。一般說來，系統(tǒng)的總體設計步驟如下：⑴ 全面分析任務對系統(tǒng)的要求：① 明確需要檢測的信號，變換快慢，檢測精度要求。相應的確定檢測方法和檢測元件。② 執(zhí)行機構是什么，需要輸出幾個怎樣的控制信號——模擬量還是數(shù)字量、功率有多大、有何特殊要求、相應的確定輸入輸出通道的結構。 ③ 對控制的精度有何要求，應采用何種控制算法。 ④ 對輸出、通信等方面有何要求，相應的實現(xiàn)方法是什么。⑤ 系統(tǒng)操作方式，比如如何啟動和停止，如何設置參數(shù)等。⑥ 系統(tǒng)是否有進一步擴展的需要，輸入/輸出通道和存儲器容量是否要適當留下余量。⑦ 系統(tǒng)的工作環(huán)境如何，是否需要加強抗干擾設施。需要注意的是，控制系統(tǒng)通常都是為某種生產設備或生產過程服務的。在分析對于系統(tǒng)控制的要求時，必須了解有關設備的運行性能和工藝過程。⑵ 確定系統(tǒng)的構成類型： 建筑大學畢業(yè)