【文章內(nèi)容簡介】 3行時，其給定值從鍵盤輸入，由微機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器采用模糊控制算法，進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)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(shè)定值CuI圖 21 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)的概述 單片機(jī)的概念微型計(jì)算機(jī)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(xué)研究產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。而單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)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(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，可以毫不夸張地說，單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展的標(biāo)志之一。單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Micro Computer)簡稱單片機(jī)，它是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理單元 CPU、一定容量的隨機(jī)存儲器 RAM 和只讀存儲器ROM、I/O 接口電路、定時器/計(jì)數(shù)器以及串行口等制作在一塊芯片中的計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)的功能都是按工業(yè)控制要求而設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單、控制功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、價格低等特點(diǎn)。從家用電器、智能化儀器、工業(yè)控制直到火箭導(dǎo)航尖端技術(shù)領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。由于單片機(jī)在應(yīng)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(jìn)行使用，為了強(qiáng)調(diào)其“嵌入”的特點(diǎn)，也常常將單片機(jī)稱為嵌入式微控制器（EMCU ） 。⑴ 通用單片機(jī)和專用單片機(jī)根據(jù)控制應(yīng)用的需要，可以將單片機(jī)分成為通用型和專用型兩種類型。 建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4通用型單片機(jī)是一種基本芯片，它的內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且適用性強(qiáng)，能覆蓋多種應(yīng)用需求。用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種不同應(yīng)用功能的控制系統(tǒng)，即通用單片機(jī)有一個再設(shè)計(jì)的過程。專用單片機(jī)芯片是針對一種產(chǎn)品或一種控制應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時已經(jīng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)等。⑵ 單片機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)前面已經(jīng)提到：單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，它是指把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件集成在一個芯片上構(gòu)成一個完整的微型機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示 。圖 2－2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖單片機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個芯片，在實(shí)際應(yīng)用中通常很難將單片機(jī)直接和受控對象進(jìn)行電氣連接，必須外加各種擴(kuò)展接口電路以及外部設(shè)備。單片機(jī)系統(tǒng)則是在單片機(jī)芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展其它電路或芯片構(gòu)成的具有一定應(yīng)用功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)處于核心地位，是構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。 ⑶ 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)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(shí)現(xiàn)一種或多種功能的實(shí)用系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是為控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)與控制對象結(jié)合在一起使用，是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的成果。一個單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，除了有單片機(jī)芯片以外，還有許多其它外圍電路。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的。硬件是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是在硬件的基礎(chǔ)上對其資源 建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)。硬件和軟件二者相互依賴，缺一不可。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成示意圖如圖 12 所示。 單片機(jī)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的工具。主要有：① 邏輯分析儀：只能用于簡單的單片機(jī)系統(tǒng)；② 微型計(jì)算機(jī)：用于復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)；③ 在線仿真器：進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和 EPROM 寫入。⑷ 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)語言和軟件機(jī)器語言是用二進(jìn)制代碼表示的單片機(jī)指令，用機(jī)器語言構(gòu)成的程序稱之為目標(biāo)程序。匯編語言是用符號表示的指令，匯編語言是對機(jī)器語言的改進(jìn)，是單片機(jī)最常用的程序設(shè)計(jì)語言。注意：這兩種語言均與單片機(jī)硬件關(guān)系密切，這就要求程序設(shè)計(jì)人員必須精通單片機(jī)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 單片機(jī)的發(fā)展⑴ 單片機(jī)的歷史及發(fā)展概況根據(jù)單片機(jī)發(fā)展過程中各個階段的特點(diǎn)，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(jī)的初級階段。因工藝限制，單片機(jī)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(jī)階段。以 Intel 公司制造的 MCS48 系列單片機(jī)為代表。③第三階段（1978 一 1982）：高性能單片機(jī)階段。這個階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行 I/O 口，多級中斷處理系統(tǒng)，16 位定時器／計(jì)數(shù)器，片內(nèi) ROM、RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64K 字節(jié)，有的還內(nèi)置有 A/D 轉(zhuǎn)換器。這類單片機(jī)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(jī)的鞏固發(fā)展以及 16 位單片機(jī)、32 位單片機(jī)推出階段。此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)、32 位單片機(jī)及專用型單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔 8 位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要。16 位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS96 系列單片機(jī)。而 32 位單片機(jī)除了具有更高的集成度外，其振蕩頻率已達(dá) 20MHz 或更高，這使 32 位單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度比16 位單片機(jī)快許多，性能同 8 位、16 位單片機(jī)相比，具有更大的優(yōu)越性。計(jì)算機(jī)廠家已投放市場的產(chǎn)品就有 70 多個系列，500 多個品種。單片機(jī)的產(chǎn)品已占整個微機(jī)（包括一般的微處理器）產(chǎn)品的 80%以上，其中 8 位單片機(jī)的產(chǎn)量又占整個單片機(jī)的產(chǎn)量的 60%以上，因此可以看出，8 位單片機(jī)在最近若干年里，在工業(yè)檢測、控制應(yīng)用上將繼續(xù)占有一定的市場份額。⑵ 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域由于單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。因此，單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：① 小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。能組裝成各種智能式測控設(shè)備及智能儀器儀表。② 可靠性好，應(yīng)用范圍廣。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，抗干擾性強(qiáng)，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其他機(jī)種無法比擬的。 建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7③ 易擴(kuò)展，控制功能強(qiáng)，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)， 。單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令，可以對邏輯功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行控制。④ 系統(tǒng)內(nèi)無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序。單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部一般無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序，只有用戶設(shè)計(jì)、調(diào)試好的應(yīng)用程序。⑶單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)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(jī)器人，智能化儀器，機(jī)、電一體化產(chǎn)品。② 智能儀器儀表方面。③ 通訊方面：調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)等。④ 消費(fèi)產(chǎn)品方面：電動玩具、錄像機(jī)、激光唱機(jī)等。⑤ 導(dǎo)彈與控制方面：導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)控制、智能武器裝備、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等。⑥ 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備及電器方面：打印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、彩色與黑白復(fù)印機(jī)、磁帶機(jī)等。⑦ 多機(jī)分布式系統(tǒng)：可用單片機(jī)構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)，它使單片機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了一個全新的階段。單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)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(shù)稱為微控制技術(shù)。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣，微控制技術(shù)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(jì) 70 年代，我國從 80 年代開始對加熱爐生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究。隨著檢測設(shè)備、儀表、計(jì)算機(jī)水平的提高，90 年代我國軋鋼企業(yè)配置計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)加熱爐逐漸增多，并進(jìn)行了不同程度的控制，由于各自的控制內(nèi)容和使用情況不同，所得到的效果也不盡相同。目前國內(nèi)在控制理論和關(guān)鍵技術(shù)方面的開發(fā)與國外先進(jìn)國家相比差距不是很大，但在真正的應(yīng)用上與歐美、日本、前蘇聯(lián)等冶金技術(shù)較先進(jìn)國家相比差距較大。從 20 世紀(jì) 90 年代末國內(nèi)許多老企業(yè)，都對加熱爐進(jìn) 建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8行了計(jì)算機(jī)燃燒控制方面的改造，計(jì)算機(jī)幾乎全是選用進(jìn)口的，檢測設(shè)備、儀表部分采用國產(chǎn)的，新上項(xiàng)目大部分整套設(shè)備進(jìn)口。 爐溫控制技術(shù)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(fù)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(shí)用儀器來實(shí)現(xiàn)。近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展和實(shí)用化，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測設(shè)備、儀表性能的提高，專家系統(tǒng)、模糊控制等技術(shù)正在加熱爐燃燒控制上得到越來越廣泛的應(yīng)用。蒙特卡洛隨機(jī)思想以及量子物理浮點(diǎn)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)系統(tǒng)濾波與控制理論也將被應(yīng)用于爐溫計(jì)算機(jī)控制中。 建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9第三章 爐溫控制系統(tǒng)軟硬件總體方案 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟如下： 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)確定單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的一步。合理的總體設(shè)計(jì)來自對于系統(tǒng)要求的全面分析和對于實(shí)現(xiàn)方法的正確選擇。一般說來，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)步驟如下：⑴ 全面分析任務(wù)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(yīng)的確定檢測方法和檢測元件。② 執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yīng)的確定輸入輸出通道的結(jié)構(gòu)。 ③ 對控制的精度有何要求，應(yīng)采用何種控制算法。 ④ 對輸出、通信等方面有何要求，相應(yīng)的實(shí)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(shè)置參數(shù)等。⑥ 系統(tǒng)是否有進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，輸入/輸出通道和存儲器容量是否要適當(dāng)留下余量。⑦ 系統(tǒng)的工作環(huán)境如何，是否需要加強(qiáng)抗干擾設(shè)施。需要注意的是，控制系統(tǒng)通常都是為某種生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程服務(wù)的。在分析對于系統(tǒng)控制的要求時，必須了解有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行性能和工藝過程。⑵ 確定系統(tǒng)的構(gòu)成類型： 建筑大學(xué)畢業(yè)