單片機(jī)爐溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)


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1 緒論
隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來(lái)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱(chēng)為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱(chēng)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(lái)越大。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)加熱的對(duì)象要求在一定的條件下保持恒溫，不能隨電源電壓的波動(dòng)或是爐內(nèi)物體而變化；或者有的對(duì)象要根據(jù)某一溫度曲線(xiàn)上升變化等等。
2 單片機(jī)簡(jiǎn)介
2．1單片機(jī)的發(fā)展
1974 年,美國(guó)仙童(Fairchild)公司研制的世界第一臺(tái)單片微型機(jī)F8。該機(jī)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(jī)開(kāi)始迅速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支,單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)發(fā)展過(guò)程。
1.第一代單片機(jī)(1974-1976):這是單片機(jī)發(fā)展的起步階段。在這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)特點(diǎn)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(jī)(1976-1978):這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。這個(gè)時(shí)代生產(chǎn)的單片機(jī)雖然已能在單塊芯片內(nèi)集成CPU,并行口,定時(shí)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(jī)。
3.第三代單片機(jī)(1979-1982):這是八位單片機(jī)成熟的階段。這一代單片機(jī)和前兩代相比,不僅存儲(chǔ)容量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)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(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)品種齊全,可以滿(mǎn)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(jī),Motorola公司的MC6801系列機(jī),TI公司的TMS7000系列機(jī),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(jī)系列。
4.第四代單片機(jī)(1983年以后):這是十六位單片機(jī)和八位高性能單片機(jī)并行發(fā)展的時(shí)代,十六位機(jī)的特點(diǎn)是,工藝先進(jìn),集成度高和內(nèi)部功能強(qiáng),加法運(yùn)算速度可達(dá)到1us以上,而且允許用戶(hù)采用面向工業(yè)控制的專(zhuān)用語(yǔ)言,如PL/MPLUS C和Forth語(yǔ)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(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)在可以說(shuō)單片機(jī)是百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，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(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀(guān)單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有：
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出時(shí)的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來(lái)越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。
2.微型單片化
現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門(mén)狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠(chǎng)商還可以根據(jù)用戶(hù)的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)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(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來(lái)越受歡迎，使得由單片機(jī)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(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機(jī)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(guó)臺(tái)灣的Winbond系列單片機(jī)。所以C8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡(jiǎn)指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，中國(guó)臺(tái)灣的HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)一定的市場(chǎng)分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專(zhuān)用單片機(jī)。在一定的時(shí)期,由于十六位單片機(jī)價(jià)格比較貴, 銷(xiāo)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(jī)。這些單片機(jī)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(jì)
3.1 控制對(duì)象及參數(shù)
控制對(duì)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(guò)±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(gè)過(guò)程：（1）自由溫升段，即根據(jù)電阻爐自身的條件，對(duì)溫升速度沒(méi)有控制的自由升溫過(guò)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(duì)溫降速度沒(méi)有控制的自由降溫過(guò)程。而每一段都有時(shí)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(jī)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(shí)閘門(mén)，8155做鍵盤(pán)與顯示。采用PID先進(jìn)控制程序。形成閉