單片機爐溫系統(tǒng)設(shè)計


頁數(shù)：45 字?jǐn)?shù)：20252

1 緒論
隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實驗中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)過程正常安全的進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱的對象要求在一定的條件下保持恒溫，不能隨電源電壓的波動或是爐內(nèi)物體而變化；或者有的對象要根據(jù)某一溫度曲線上升變化等等。
2 單片機簡介
2．1單片機的發(fā)展
1974 年,美國仙童(Fairchild)公司研制的世界第一臺單片微型機F8。該機有兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此,單片機開始迅速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大?，F(xiàn)已成為微型計算機的重要分支,單片機的發(fā)展過程通常可以分為以下幾個發(fā)展過程。
1.第一代單片機(1974-1976):這是單片機發(fā)展的起步階段。在這個時期生產(chǎn)的單片機特點是,制造工藝落后和集成度低,而且采用雙片形式。典型的代表產(chǎn)品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。
2.第二代單片機(1976-1978):這是單片機的第二發(fā)展階段。這個時代生產(chǎn)的單片機雖然已能在單塊芯片內(nèi)集成CPU,并行口,定時器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品種少,應(yīng)用范圍也不是很廣,典型的產(chǎn)品有Intel公司的MCS-48系列機。
3.第三代單片機(1979-1982):這是八位單片機成熟的階段。這一代單片機和前兩代相比,不僅存儲容量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時器/計數(shù)器個數(shù)都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全雙工串行通信接口電路。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設(shè)了乘除法和比較指令。這一時期生產(chǎn)的單片機品種齊全,可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列機,Motorola公司的MC6801系列機,TI公司的TMS7000系列機,此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機系列。
4.第四代單片機(1983年以后):這是十六位單片機和八位高性能單片機并行發(fā)展的時代,十六位機的特點是,工藝先進(jìn),集成度高和內(nèi)部功能強,加法運算速度可達(dá)到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語言,如PL/MPLUS C和Forth語言等。代便產(chǎn)品有Intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。
2．2 單片機的發(fā)展趨勢
現(xiàn)在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有：
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出時的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。
2.微型單片化
現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。
3.主流與多品種共存
現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期,由于十六位單片機價格比較貴, 銷售量不大,大量應(yīng)用領(lǐng)域需要的是高性能,大容量和多功能新型八位單片機。這些單片機有Intel公司的88044(雙CPU工作),Zilog公司的Super8(含DMA通道),Motorola公司的MC68CH11(內(nèi)含E2prom及A/D電路)和WDC公司的65C124(內(nèi)含網(wǎng)絡(luò)接口電路)等。
3 控制系統(tǒng)硬件單元設(shè)計
3.1 控制對象及參數(shù)
控制對象為工業(yè)用電阻爐，溫度范圍要求在0~300℃范圍內(nèi)，誤差不超過±0。5℃的精度，最大功率為2KW 。根據(jù)工藝的要求大體上可以歸納為以下幾個過程：（1）自由溫升段，即根據(jù)電阻爐自身的條件，對溫升速度沒有控制的自由升溫過程。（2）恒速升溫段，即要求爐溫上升的速率按某一斜率進(jìn)行。（3）保溫段，要求溫度控制在某一設(shè)定值恒定。（5）自由降溫段，對溫降速度沒有控制的自由降溫過程。而每一段都有時間的要求。
3．2 系統(tǒng)組成

圖3-1 系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)MS-51系列單片機為主芯片，高性能鉑電阻作溫度傳感器，LM331做電壓頻率轉(zhuǎn)換，8253與LM331組成定時閘門，8155做鍵盤與顯示。采用PID先進(jìn)控制程序。形成閉