文献翻译BG080420丁键(中文翻译)——电热水器的优化控制和微机处理.doc

电热水器的优化控制与微机系统摘要：广义地说，微处理系统是用于处理信息的，这种信息可以是电话交谈，仪器读数或企业帐户，但是各种情况下都涉及相同的主要操作：信息处理、存储和传递。在常规的电子设计中，这些操作都是以功能平台方式组合起来的，例如计数器，无论是电子还是机械的，都要存储当前值，并按要求将该值增1。诸如采用计数器的电子钟之类的任一系统要使其存储和处理能力遍布整个系统，因为每个计数器都能存储和处理一些数字。当前微处理化系统与上述的常规方法不同，它将处理，存储和传输三个功能分离形成不同的系统单元。这种形成三个主要单元的分离方法是冯-诺依曼在20世纪40年代所设想出来的，并且是针对微计算机的设想。从此几乎所有制成的计算机都是用这种结构设计的，尽管包含宽广的物理形式，从根本上来说他们均是具有相同的基本设计。 关键词：微机处理；优化；控制系统；存储系统；输入输出口1 简介单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 2 基本概念在微处理器系统中，处理是由微处理器本身完成的。存储是利用存储器电路，而进入和出自系统的信息传输则是利用特定的输入/输出（I/O）电路。要在一个微处理器化时钟中找出执行计数功能的一个特殊硬件是不可能的，因为时间存储在存储器中，而在固定的时间间隔下由微处理器控制增值。但是，规定系统运转过程的软件包含实现计数器功能的单元。由于系统几乎完全由软件所定义，所以对微处理器结构和其辅助电路这种看起来非常抽象的处理方法使其在应用时非常灵活。这种设计过程主要是软件工程，而且在生产软件时，就会遇到产生于常规工程中相似的构造和维护问题。 图1.1 微型计算机的三个组成部分图1.1显示出了微型计算机中这三个单元是如何按照机器中的信息通信方式而联接起来的。该系统由微处理器控制，它管理自己与存储器和输入/输出单元的信息传输。外部的连接与工程系统的其余部分（即非计算机部分）有关。尽管图中显示的只有一个存储单元，实际中有RAM和ROM两种不同的存储器被使用。由于概念上的计算机存储器更像一个公文柜，上述的“存储器”一词是非常不恰当的；信息存放在一系列已标号的“箱子”中，而且可按问题由“箱子”的序列号进行信息的参考定位。微计算机常使用RAM（随机存取存储器），在RAM中数据可被写入，并且在需要时可被再次读出。这种数据能以任一所希望的次序从存储器中读出，不必按写入时的相同次序，所以有“随机”存取存储器。另一类型ROM（只读存储器）用来保持不受微处理器影响的固定的信息标本；这些标本在电源切断后不会丢失，并通常用来保存规定微处理器化系统运转过程的程序。ROM可像RAM一样被读取，但与RAM不一样的是不能用来存储可变的信息。有些ROM在制造时将其数据标本放入，而另外的则可通过特殊的设备由用户编程，所以称为可编程ROM。被广泛使用的可编程ROM可利用特殊紫外线灯察除，并被成为EPROM，即可察除可编程只读存储器的缩写。另有新类型的期器件不必用紫外线灯而用电察除，所以称为电可察除可编程只读存储器EEPROM。 微处理器在程序控制下处理数据，并控制流向和来自存储器和输入/输出装置的信息流。有些输入/输出装置是通用型的，而另外一些则是设计来控制如磁盘驱动器的特殊硬件，或控制传给其他计算机的信息传输。大多数类型的I/O装置在某种程度下可编程，允许不同形式的操作，而有些则包含特殊用途微处理器的I/O装置不用主微处理器的直接干预，就可实施非常复杂的操作。 假如应用中不需要太多的程序和数据存储量，微处理器、存储器和输入/输出可全被包含在同一集成电路中。这通常是低成本应用情况，例如用于微波炉和自动洗衣机的控制器。当商品被大量地生产时，这种单一芯片的使用就可节省相当大的成本。当技术进一步发展，更强更强的处理器和更大更大数量的存储器被包含形成单片微型计算机，结果使最终产品的装配成本得以节省。但是在可预见的未来，当需要大量的存储器或输入/输出时，还是有必要继续将许多集成电路相互联结起来，形成微计算机。 微计算机的另一主要工程应用是在过程控制中。这是，由于装置是按特定的应用情况由微机编程实现的，对用户来说微计算机的存在通常就更加明显。在过程控制应用中，由于这种设备以较少的数量生产，将整个系统安装在单个芯片上所获取的利益常比不上所涉及的高设计成本。而且，过程控制器通常更为复杂，所以要将他们做成单独的集成电路就更为困难。可采用两种处理，将控制器做成一种通用的微计算机，正像较强版本的业余计算机那样；或者做成“包裹”式系统，按照像电磁继电器那样的较老式的技术进行设计，来取代控制器。对前一种情况，系统可以用常规的编程语言来编程，正如以后要介绍的语言那样；而另一种情况，可采用特殊用途的语言，例如那种使控制器功能按照继电器相互连接的方法进行描述。两种情况下，序均能存于RAM，这让程序能按应用情况变化时进行相应的变化，但是这使得总系统易受掉电影响而工作不正常，除非使用电池保证供电连续性。另一种选择是将程序在ROM中，这样他们就变成电子“硬件”的一部分并常被称为“固件”。 尽管大规模集成电路的应用使小型和微型计算机的差别变得“模糊”，更复杂的过程控制器需要小型计算机实现他们的过程。各种类型的产品和过程控制器代表了当今微计算机应用的广泛性，而具体的结构取决于对“产品”一词的解释。实际上，计算机的所有工程和科学上的应用都能指定来进行这些种类的某一或某些工作。而在本设计中压力和压力变送器当某一力加到某一面积上，就形成压力，假如这力是1牛顿均匀地加在1平方米的面积上，这压力被定义为1帕斯卡。压力是一种普遍的工艺状态，它也是这个星球上的一个生活条件：我们生活在向上延伸许多英里的大气海洋的底部。空气物质是有重量的，而且这种下压的重量形成大气压。水，是生活的必需品，也是在压力之下提供给我们中的大多数人。在典型的过程工厂中，压力影响沸点温度、凝固点温度、过程效率、消耗和其他重要因数。压力的测量和控制，或者压力的不足真空，在典型的过程控制中是极为重要的。工厂中的工作仪器通常包括压力计、精密纪录仪、以及气动和电动的压力变送器。压力变送器实现压力测量并产生正比于所传感压力的气动或电信号输出。在过程工厂中，将控制仪表远远放在过程的附近是不现实的，并且大多数测量是不容易从远处传来的。压力测量是一个例外，但是，如果要离测量点几百英尺外指示或记录某种危险化学品的高压，就会有来自这个压力所载的化学品所引发的危险。为了消除这一问题，开发了一种信号传输系统。这种系统常常可是气动或者电动的。使用这种系统，就可以在某一地点安装大多数的指示、记录和控制仪器。这也是最少数量的操作者有效的运行工厂成为现实。当使用气动传送系统时，测量信号就由变送器将比例为0%100%的测量值转换为气动信号。变送器安装在靠近过程中的测量点上。变送器输出对气动变送器是输出压力通过管道传给记录或控制仪表。气动变送器的标准输出范围是20100kPa，这信号几乎在全球使用。当使用电子压力变送器时，压力就被转换成电流或电压形式的电信号。其标准范围对电流来说是420mA DC，对电压信号来说是15V DC。当今，另一种电信号形式变的越来越常用，就是数字或离散信号。基于计算机或微处理器的仪器或控制系统的应用正推动这类信号的应用不断增加。有时，分析获取描述传感器/变送器特性的参数是很重要的。当量程已知，去获取增益就非常简单。假定电子压力传感器的量程为0600kPa，增益定义为输出变化除以输入变化。这里，输出的电信号（420mA DC），而输入的过程压力（0600kPa），这样增益就为：此外我们在本设计中还必须对温度进行测量，温度测量在工业控制中是很重要的，因为它作为系统或产品状态的直接指标，或者作为如反应率、能量流、涡轮机效率和润滑质量等间接指标。现行的温度分度已使用了约200年，最初的仪器是基于气体和液体的热膨胀。现在尽管有许多其他类型的仪器在使用，这些填充式系统仍常用于直接的温度测量。有代表性的温度传感器包括：填充式热系统、玻璃液体温度计、热电偶、电阻温度探测器、热敏电阻、双金属器件、光学和辐射高温计和热敏涂料。电气系统的优点包括高的精度和灵敏度，能实现开关切换或扫描多个测量点，可在测量元件和控制器之间长距离传输，出现事故时可调换元件，快速响应，以及具有测量高温的能力。其中热电偶和电阻温度探测器则被最广泛的使用。3 详细说明单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化