基于C8051F020单片机的加热炉温度测控系统的研发

1、毕业设计（论文）基于 c8051f020 单片机的加热炉温度测控系统的研发系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5060824学生姓名李威指导教师金伟2010 年 06 月 15 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 i 页基于 c8051f020 单片机的加热炉测控系统的研发摘 要本课题对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究，设计了下位机硬件电路、软件程序和上位机软件程序。硬件电路主要以 c8051f020 单片机为核心，并且由adc0809、hd7279a 和 max232 等芯片构成。以 c8051f020 单片机为主体，构成一个能进行较复杂的数据处理和较复杂控制功

2、能的智能控制器。单片机根据输入的各种命令，进行智能计算得到控制值，输出脉冲触发信号，经过保护电路控制双向可控硅的导通角，从而控制电阻炉的加热时间。软件程序采用两重中断嵌套方式，效率较高。因为单片机内存有限提出了一种常规控制的方法，即调节 kp、ki、kd三个参数，来实现控制。电阻炉炉温的变化系统为二阶惯性纯滞后大惯性系统，最后分别利用 pid 算法及模糊控制通过 matlab 进行计算机温度控制仿真，得到了较理想的控制效果。同时利用串口实现与 pc 机的通信，用 vc 编写上位机界面，pc 机作为上位机进行较复杂算法的选择和控制。关键词：单片机，温度控制，pid 调节，matlab 仿真 东北

3、大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 ii 页the research of c8051f020 scm based on the heating furnace control system development author： li wei tutor： jin weiabstractthis subject mainly for industrial object of resistance furnace temperature control parameters were studied, and the design of hardware circuit and softwar

4、e program and pc software program. the hardware circuit consists mainly of c8051f020 scm as the core and adc0809 7279: max232, etc. to c8051f020 scm chip as the main body, can form a complex data processing and complex function of intelligent controller. according to the input of various orders chip

5、, intelligent calculated, the output pulse triggering signal components, after protecting circuit control bidirectional thyristor conduction angles, which controls the heating time resistance furnace. software interrupt nested manner by two, higher efficiency. because of limited memory chip is propo

6、sed, i.e. normal control method of kp mohan, adjust ki, three parameters kd, come to control. the resistance furnace temperature change system for second inertia pure inertial system, finally lag big respectively using pid algorithm and fuzzy control by matlab simulation of temperature control, comp

7、uter got better control effect. while using the serial communication with the pc, written by vc computer interface, pc as pc for complex algorithm of choice and control.keywords: scm, temperature control, pid, matlab simulation 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 iii 页目 录1 绪论.11.1 研究背景和研究意义.11.2 所要解决的主要问题.11.3 研究方法

8、和创新之处.21.4 电加热炉的国内外发展现状.21.4.1 定值开关控温法.31.4.2 pid 线性控温法.41.4.3 智能温度控制法.41.5 系统总体设计方案.51.5.1 系统性能要求及特点.51.5.2 系统硬件方案分析.61.5.3 系统软件方案分析.72 硬件设计.72.1 系统硬件总体结构.72.2 主控模块的器件选型及设计.92.2.1 单片机的选用.92.2.2 c8051f020 片上系统单片机片内资源介绍.102.2.3 系统实验板.132.2.4 复位电路的可靠性设计.142.2.5 晶振电路的设计.152.2.6 串口驱动电路的设计.162.2.7 a/d 转换

9、电路设计.182.2.8 过零检测电路的设计.192.2.9 pwm 输出电路的设计.202.2.10 键盘及显示电路的设计.223 系统控制算法研究.25 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 iv 页3.1 加热炉的数学建模.253.2 pid 控制原理 .263.2.1 数字 pid 控制算法.273.2.2 增量式 pid 仿真结果.283.3 模糊自适应 pid 算法 .293.3.1 模糊自适应 pid 的特点.293.3.2 模糊自适应 pid 的结构.303.3.3 模糊自适应 pid 的控制结构原理.313.4 加热炉温度的模糊自适应 pid 控制器的设计 .313.4.1

10、 温度值模糊自适应 pid 的模糊化.313.4.2 模糊自适应 pid 的模糊规则及推理算法.323.4.3 模糊自适应 pid 控制器的解模糊化.334 炉温测控系统上位机 软件实现技术.364.1 matlab软件与 vc 软件通信的实现 .364.2 可视化上位机监控界面的实现.37总结与展望.385.1 总结.385.2 展望.39致谢.40参考文献.41附 录.43附录 a： 英文文献.43附录 b： 中文译文.46 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1 研究背景和研究意义随着世界各国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已经成为世

11、界人们所关注的问题。我国经过20多年的改革开放，经济的发展更是迅猛，但是也带来了许多问题，例如煤炭，石油紧缺短缺的问题，这是一个国家发展的经济命脉，经济强国都竞相开发上述资源的替代品。电加热炉技术可以广泛应用于石油冶炼，轧钢等工业行业上，并且加热炉的能源消耗优势可以占一个工厂能源消耗的60%以上，所以说，怎样有效的降低加热炉的能源消耗，提高经济效益，已经摆在人们的面前，加热炉技术已经有几十年的发展历史了，各个时期有不同的产品，它们都代表各个时期的发展水平。但是，纵观加热炉的发展史，它们都普遍存在的问题是加热炉的控制精度不高，能源损失比较大的特点，随着计算机控制技术的发展，用计算机来控制加热炉已

12、经成为当前的发展趋势，本次毕业设计就是在这个背景下提出来的。随着新技术的不断开发与应用，近年来用单片机进行控制的技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材机械、食品、石油等各个行业，尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快，它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要的意义。在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、速度和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类电热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大

13、等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。1.2 所要解决的主要问题1、在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；2、完成系统的硬件设计，包括采样电路、a/d转换电路、主控制电路、保护电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页等等的设计；3、完成该系统的软件设计，包括要程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；4、研究了该系统的控制策略。在建立温度控制系统数学模型的基础之上，通过对pid控制、pid模糊自整定算法的分析设计了系统控制器；5、完成了系统的软、硬件调试工作；6、立足

14、于提高国家电加热企业竞争力，节能环保，低碳高效。通过对加热炉算法的研究可以更快的控制温度达到稳定值的时间更小的减小误差值。为提高企业竞争力提出有效策略。1.3 研究方法和创新之处1、研究方法：通过书店 、图书馆、网络等途径进行资料的收集和整理，并对加热炉进行实地温度的测量，采集数据，用 matlab 软件模拟出数学模型，为 pid 算法提供数学模型。同时用实验室实验箱调试下位机编写好的软件，达到理想效果。2、创新点：本文是在通过对国家提倡低碳环保，节能减排的大环境下提出的，用电加热炉可以有效减小碳排放，采用上位机和下位机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被

15、控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。本文初步研究了matlab与vc的接口通信问题。本文对不同加热算法进行了研究，并用matlab进行仿真观察对比了不同控制算法的特点和不同控制特性，最后选择编程简单、调试可针对对象的pid算法烧写入单片机，另外还设置了单片机与上位机的通信，根据不同的需要可以通过上位机对加热炉选择不同的复杂控制算法。其中有大多数控制系统都适用的普通pid的算法，以及不需要建立模型的模糊算法等。1.4 电加热炉的国内外发展现状最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越突出，节省能源、保护环境已被人们所接受，成为今后科学技术发展的方

16、向。因此，通过国内加热技术在工业行业的应用情况的总结对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方向及趋势。低碳、节能、环保、高效的加热炉越来越得到认可。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页对于现在讲品质、讲效率的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业的发展水平。 但是随着计算机技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热已成为一个新的发展方向。目前，国外已研究出多种加热炉控制模式，实际应用各有所长，我国加热炉微机自动控制起步较晚，但也取得了很大的进展，但迄今为止，国内加热炉的控制（常规仪表控制或计算机控制）大多还处于人工经验

17、、单值设定控制阶段。为此鞍山市戴维冶金科技开发有限公司经过长期的现场实践，通过对加热炉加热过程的分析，组成了一支由热工、计算机自动控制工程师和专家为主体的攻关队伍，并与清华大学，哈尔滨工业大学计算机与自动控制方面的教授、专家合作，开发出了“轧钢加热炉过程优化与自动控制系统”，该系统在鞍钢新扎线材厂、天钢高速线材厂和唐钢线材厂的生产实践中得到了应用，经过长期的现场生产实践的检验与考核，通过企业的验收与鉴定，给企业带来了巨大的经济效益，受到有关企业领导，冶金加热工、冶金自动化、计算机、轧钢专业专家及加热工人的好评。国内各种形式的加热炉发展到现在，还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在

18、一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制加热炉系统是一种发展方向。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分为一下几种：1.4.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当时温度值与设定目标温度值之间的关系，进行对系统加热装置（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器，这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多

19、工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使别控对象温度波动较大， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.4.2 pid 线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的pid调节器控制原理，pid控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于pid调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于

20、定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现pid调节功能。前者称为模拟pid控制器，后者称为数字pid控制器。其中数字pid控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个pid参数（比例值、积分值、微分值）。只要pid参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.4.3 智能温度控制法为了克服pid线性控温法的弱点，人们相继提出了一

21、系列自动调整pid参数的方法，如pid参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与pid控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加专家系统来实现智能化。其中应用较多带有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代只能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应pid算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能发面还存在一定的差距，他们之间最大的差别主要还是在控制算

22、法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页1.5 系统总体设计方案本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱的温度进行恒值温度控制， 范围在室温与摄氏1600度之间，温度控制的精度要求为2摄氏度。下面讨论系统的总体设计方案，包括：系统的性能要求及特点及系统的软、硬件方案分析。1.5.1 系统性能要求及特点1、系统性能要求：（1）可以人为方便地通过控制面板或pc机设定控制期

23、望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；（2）能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来；（3）具有加热保护功能的安全保护功能的安全性要求。如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护；（4）模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；（5）系统可靠性高，不易出故障；（6）尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到相同零部件进行替换。2、系统特点：鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在

24、硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用c8051f020为核心芯片。作为与mcs-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用钨铼热电偶作为温度传感器，而钨铼热电偶在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对钨铼热电偶温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。为了简化系统硬件。本文采用双向可控硅输出，这 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页样就省去了d/a转化环节。整个系统遵循了冗余原则以及软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统

25、的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当余量，以利于扩充和修改。1.5.2 系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路（analog circuit）和单片机（microcontroller）两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般用运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速度并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的实时

26、性得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电器关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元cpu（central processing unit）、随即存取存储器ram（random access memory）、只读存储器rom（read only memory）、定时/计数器以及i/o（input/output）输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精

27、简系统结构，而且控制算法有软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统soc（system on chip）得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种soc芯片应用到先进的控制仪表中。soc芯片通常含有一个微处理器核（cpu），同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器（ram和rom），并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，soc是实现温度控制系统的

28、最佳选择。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能发面也各有所长。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页c8051f020是atmel公司出品的与mcs-51系列兼容的低电压，高性能cmos 8位单片机。本系统选择c8051f020为核心器件组成的控制系统。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。1.5.3 系统软件方案分析本课题中，由于温度控制仪要求采样及控制的实时性，用c语言能够满足系统的要求，故在本课题的开发过程中采用c语言。由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，

29、故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。温度控制算法方面，基于解析模型的经典控制方法主要体现在pid控制上，这主要是由于pid控制器的原理简单，使用方便的缘故。但是，经典控制方法一般是建立在被控对象精确或近似的数学模型上，而数学模型的建立本身就存在许多不足之处，因而其表面上看是精确控制，而实际上却是简单的控制器。此外，在设计pid控制器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定pid控制器的参数kp、ki、kd，在随后的控制过程中pid参数一般是保持不变的，当外部条件发生重

30、大变化时，再由工程人员重新手动进行选择。然而，被控系统在实际运行中会受到负荷变化、外界噪声等各种因素的干扰，都会引起被控对象的近似数学模型参数变化较大，从而导致控制效果大打折扣。基于上述情形，如果能将近似的数学模型与实际情况结合起来，这样的控制方式往往要比经典控制方法精确得多，这就意味着pid参数能够在线调整，以适应改变了的模型。显然常规pid控制器是不能满足这一要求。因此在设计控制器时，一个关键的问题就是如何实现pid参数的实时整定。所以也采用模糊pid算法。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页2 硬件设计2.1 系统硬件总体结构电阻炉智能温度控制仪硬件部分主要由单片机主控模块、

31、前向通道模块、后向通道模块、人机接口模块和接口扩展模块等组成。其硬件总体结构框图如图2-1所示。图2-1 系统整体结构框图由框图可见，本温度控制系统以c8051f020单片机为核心，外扩键盘输入、led、lcd显示和超温报警装置等外围电路实现的。电炉的温度由钨铼热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压/电流变换后以420ma的标准信号形式传送出去，接收端的i/v变换及放大电路将420ma的标准信号变换放大至05 v电压，再经有源低通滤波器滤波后，由a/d转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电炉温度经人机面板上的led数码管显示

32、出来：另一方面将该温度值与被控制值（由键盘输入的设定温度值）进行比较，根据其偏差值的大小，采用pid控制算法进行运算，最后通过d/a转换电路（这里采用pwm调功方式，相当于d/a转换器）控制固态继电器在控制周期内的通断占空比（即控制电阻炉平均功率的大小），进而达到对电炉温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指令，从而进行超温报替。spi下载接口与jtag调试接口是为了实现系统的软件升级和在线功能调试而扩展的接口电路。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页图2-2 系统的简化模型图在实际的温度控制仪设计过程中，要从上述的结构简化出其模

33、型图，以便对系统进行分析。结合温度控制仪的工作原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，可得本系统的简化模型图如图2-2所示。2.2 主控模块的器件选型及设计2.2.1 单片机的选用 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面:1、单片机的基本性能参数。例如指令执行速度。程序存储器容量，i/o引脚数量等。2、单片机的增强功能。例如看门狗，多指针，双串口，rtc（实时时钟），eeprom，扩展ram， can接口，ic接口，spi接口，usb接口。3、单片机的存储介质。对于程序存储器来说，flash存储器和otp（一次性可编程）存储器相比较，最

34、好是flash存储器。4、芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。5、供货渠道是否畅通。应能申请样片，小批量购买应有现货。6、价格低廉。7、是否具有技术服务支持。比如周立功公司推philips，双龙公司推avr，都提供了很多有用的技术支持。8、单片机汇编语言应是自己熟悉的，并且能支持c语言。编程环境要好用易学， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页并且最好是免费的。9、技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。最好有中文资料，像atrnel公司在这方面就做得很好。10、单片机的抗干扰性能好。单片机种类

35、很多，许多厂家有自己的单片机系列产品，本项目应用中要定时对温度传感器的数据进行采样，数码管显示等功能相对简单，实时性不太强，运算量不太强，该应用还涉及单片机与上位pc机的串口通信，因此选用的单片机应该有一个串口。满足这两个条件的单片机很多，考虑到价格，实验室已有的单片机集成开发环境和仿真器等因素，选用美国cyganl公司生产的增强型单片机c8051f020。 c8051f系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的cip-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉ncs-51系列单片机的工程技术人员可以很容易

36、地掌握c8051f的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于c8051f单片机中，这是因为两者的内部资源存在较大的差异，必须经过加工才能予以使用。其中c8051f020以其功能较全面，应用较广泛的特点成为c8051f的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。2.2.2 c8051f020 片上系统单片机片内资源介绍c8051f020单片机与80c51系列单片机的指令系统完全一样。掌握80c51单片机的人员可以很容易地接受c8051f020的应用技术并能完成相应软件的移植。1、运行速度c8051f020的指令运行速度是一般80c51系列单片机的10倍以上。

37、因为其cip-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80c51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为025 mhz，当cip-5l工作在最大系统时钟频率25 mhz时，它的峰值速度可以达到25 mis，c8051f020已进入了8位高速单片机行列。2、io端口的配置方式c8051f020拥有8个8位的io端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页可靠性和抗干扰能力。其中低4个io端口除可作为一般的通用io端口外，还可作为

38、其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器xbr0、xbr1、xbr2选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路，可将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口io引脚出现，这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用io口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80c51系列单片机上是一个空白。另外p1mdin用于选择p1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111b，即默认为数字输入方式。而80c51单片机的io引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。c8051f020通过优先权交叉开关译码器控制

39、数字开关网路，端口引脚的分配顺序是从p0.0开始一直到p3.7。当交叉开关配置寄存器xbr0、xbr1和xbr2中外设的对应使能位被设置为逻辑“1”时，交叉开关将端口引脚分配给外设，例如，如果uartoen位（xbr0.2）被设置为逻辑“1”，则tx0和rx0引脚将分别被分配到p0.0和p0.1。因为uart0有最高优先权，所以当uartoen位被设置为逻辑“1”时其引脚将总是被分配到p0.0和p0.1。未被设置的交叉开关分配端口可作为通用io口。注意：当选择了串行通信外设（即smbus、spi或uart）时，交叉开关将为所有相关功能分配引脚。例如，不能为uart0功能只分配tx0引脚而不分配

40、rx0引脚。交叉开关寄存器被正确配置后，通过将xbare（xbr2.6）设置为逻辑“1”来使能交叉开关。3、内部功能c8051f020内部带有数据采集所需的adc和dac，其中adc有两个，一个是8路12位逐次逼近型adc，可编程转换速率，最大为100 kss可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器pga用于将输入的信号放大，提高ad的转换精度。可编程增益为：0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位adc，可编程转换速率最大为500 kss，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的dac，用于将12位的数字量转换

41、为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。4、外部接口c8051f020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信，smbus兼容于i2c串行扩展总线；spi串行扩展接口；两个增强型uart串口。c8051f020具有基 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页于jtag接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过jtag接口可提供高速、方便的在系统调试。5、c8051f020混合信号isp flash微控制器（1）模拟外设包括:sar adc：12位（c8051 f020/ 1）； 1lsb inl； 可编程转换速率，最大100ksps； 可多达8个外部输入，可编程为

42、单端输入或差分输入；可编程放大器增益:16、8、4、2、1、0.5； 数据相关窗口中断发生器；内置温度传感器（30c）8位adc：可编程转换速率，最大500ksps；8个外部输入；可编程放人器增益：4、2、1、0.5两个12位dac：可以同步输出，用于产生无抖动波形两个模拟比较器电压基准精确的vdd检测器和欠压检测器（2）片内jtag调试和边界扫描包括：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）支持断点、单步、观察点、堆栈监视器：可以观察修改存储器和寄存器比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能符合ieee 1149.1边界扫描标准廉价而完全的开发套件（3）高速

43、8051微控制器内核包括:流水线指令结构：70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期速度可达25mips（时钟，频率为25mhz时）22个矢量中断源（4）存储器包括:4352字节内部数据ram （4k+256）64k字节flash存储器：可以在系统编程，扇区大小为512字节 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页外部64k字节数据存储器接口（可编程为复用方式或非复用方式）（5）数字外设包括：8个字节宽的端口i/o （c8051f020/2）或4个字节宽的端口i/o （c8051f021/3）：所有口线均耐5v电压可同时使用的硬件smbus（ic兼容）， spi及两个uart串口可

44、编程的16位计数器/定时器阵列，有5个捕捉/比较模块5个通用16位计数器/定时器专门的看门狗定时器：双向复位引脚时钟源内部可编程振荡器:216mhz外部振荡器:晶体、rc， c、或外部时钟实时时钟方式（用定时器3或pca）：（6）供电电压为2.7v3.6v典型工作电流:10ma 20mhz多种节电休眠和停机方式（7）温度范围：-40c+85c2.2.3 系统实验板系统教学实验板配备了丰富的硬件资源，可以根据自己的需要安排实验内容，系统实验板硬件逻辑结构如下图2-3： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页图2-3 系统实验板硬件逻辑结构系统实验板可按教学需要与核心模块组成目标系统，然

45、后由与核心模块中的c8051f020单片机，jtag口相连接的cygnal开发工具在系统实现开发调试。实验者可独立设计程序（c或汇编），然后就可开始在系统调试了。2.2.4 复位电路的可靠性设计 根据c8051f020的管脚定义，上电复位是通过给单片机的reset/vpp引脚法一个瞬时高电平来完成的，上电瞬间，电流有一个突发的向上尖峰脉冲，因此电流能通过c1电容到达c8051f020的复位端口对单片机进行复位。尖峰过后，电流平稳，电容c阻止电流的通过，这样可以防止对单片机反复复位。电阻r是用于给c放电的，并将复位管脚拉低，防止reset端口上持续高电平。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动

46、复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容ch的充电和反相门的作用，使rst持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键k后松开，也能使rst为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。给c8051f020加电时，需要对c8051f020进行一次复位操作。复位操作将c8051f020的工作环境制成初始状态，并从程序的开始进行运行。根据c8051f020的管脚定义，上电复位是通过给c8051f020的5引脚发一个瞬时高电平来完成的，上电的瞬间，电流有一个突发的向上尖峰脉冲，因此电流能通过c2电容到达c8051f020的复位 东北大学秦皇岛分校毕业设

47、计（论文） 第 15 页端口reset端口上持续高电平。手动按钮也可以进行复位。电路如图2-4图2-4 复位电路电路图2.2.5 晶振电路的设计给c8051f020提供一定的始终频率以后，c8051f020才能开始工作。下图为电路提供时钟频率。晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到

48、一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般ic的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16

49、 页两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。这个震荡电路与c8051f020内部的始终振荡器一起组成完整的时钟频率发生电路，xtal1为c8051f020内部时钟振荡器的输入端，xtal2为c8051f020内部时钟的振荡器的输出端，xtal为晶振，起到选择震荡频率的作用。这里使用的时钟频率为11.0592mhz。c1，c2为震荡补偿电容，起到放宽起振频率，让时钟容易起振的作用。图2-5 晶振电路2.2.6 串口驱动电路的设计单片机 c8051f020 支持串口通信，他提供的是 cmos 电平的串口数据，但 pc 机进行串口通信时其 com 口出来的信号是 rs-232 协议的串口

50、数据电平，同时由于串口数据传输距离较远，需要加驱动电路，因此需要在两者之间加转换芯片。转换芯片 max232 资料简介如下：max232 芯片是美信公司专门为电脑的 rs-232标准串口设计的接口电路，使用+5v 单电源供电。串口通信 c 语言流程图如下图 2-6。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页图 2-6 串口通信 c 语言流程图max232 内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12

51、、13、14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（r1in）、12 脚（r1out）、11 脚（t1in）、14 脚（t1out）为第一数据通道。8 脚（r2in）、9 脚（r2out）、10 脚（t2in）、7 脚（t2out）为第二数据通道。ttl/cmos 数据从 t1in、t2in 输入转换成 rs-232 数据从 t1out、t2out送到电脑 dp9 插头；dp9 插头的 rs-232 数据从 r1in、r2in 输入转换成 ttl/cmos数据后从 r1out、r2out 输出。第三部分是供电。15 脚 dng、16 脚 vcc（+5v）。为了方便与上位 pc 机进行串口通信，我

52、们增加了一个 db9 的串口座。电路如下 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页图 2-7 所示图 2-7 串口通信电路图2.2.7 a/d 转换电路设计温度检测元件及变送器的选择要考虑温度控制范围和精度要求。钨铼热电偶的使用。目前测量 1600以上的温度，多采用非接触法，但是，该种方法的误差较大，如用接触法则能准确地测出真实温度。在高温热电偶中，贵金属热电偶价格昂贵且最高温度也只能在 1800以下，而钨铼热电偶不仅测温上限高，而且稳定性好，因此，钨铼热电偶在冶金、建材、航天、航空及核能等行业都得到广泛应用。我国的钨资源丰富，钨铼热电偶价格便宜，可以部分取代贵金属热电偶，它是高温测试

53、领域中很有前途的测温材料。使用温度。它的最高使用温度可达到 2800，可是，在高于 2300时，数据分散。因此，使用温度最好在 2000左右，其输出信号为 041.32 mv。经电压/电流变换器，输出 010ma 的电流信号，然后再经过电流/电压变换电路转换为 05v 电压信号。为了提高测量精度可将变换器进行零点迁移，例如温度测量范围是 202000，热电偶输出 6.441.32 mv 时，使变换器的输出信号为 010ma。这样使用 12 位 a/d 转换器，就能使 a/d 转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差为小 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页于或

54、等于2，采用 8 位 a/d 转换器，其最大化误差为1/2（1/4095） x 2000 = 0.24，完全能够满足精度要求。这里选用单片机自带的 a/d 转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，则 a/d 转换对应的数字量为 000hfa0h，即 04000，则转换结果除以 2 正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面可以避免标度转换带来的计算误差。2.2.8 过零检测电路的设计过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因

55、此加热炉的加热时间就不一样。另外更为关键的就是：交流器件的电路可能会发生二次击穿，用过零检测电路可以保护。电路图如下图 2-8图 2-8 过零检测电路图三相电路实际上是一种特殊的交流电路。正弦交流电路的分析方法对三相电路完全适用。由于三相电路的对称性，可采用一相电路分析，以简化计算。事实上，电力系统所采用的供电方式绝大多数属于三相制，日常用电是取自三相制中的一相。对称三相电源：三个频率相同、相位互差 120的正弦交流电源按一定方式联接而成。三相电只要引出一项进行供电就可以进行过零检测，然后 220v 电压经过变压器转变为 6v 电压。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页2.2.9

56、 pwm 输出电路的设计单片机是弱电设备，可以接受 5v 以下的电压 ，20ma 以下电流，由于控制电路要控制外围强电设备所以 pwm 电路要做好保护措施。1 晶闸管简介晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件（scr），是由三个 pn 结构成的一种大功率半导体器件。在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。图 2-9 为晶闸管的结构、符号、等值电路图。图 2-9 晶闸管结构、符号、等值电路图晶闸管的优点很多，例如:以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍：反应极快，在微秒级内开通、关断：无触点运行，无火花、无噪声：效率高，成本

57、低等。因此，特别是在大功率 ups 供电系统中，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。晶闸管的工作条件：由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表 2.1表表 2.1 晶闸管导通和关断条件晶闸管导通和关断条件状态条件说明从关断到导通（1）阳极电位高于阴极电位（2）控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可从维持到导通（1）阳极电位高于阴极电位（2）阳极电流大于维持极电流两者缺一不可 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页从导通到关断（1）

58、阳极电位低于阴极电位（2）阳极电流小于维持极电流任一条件即可2. 晶闸管保护电路为什么要在晶闸管两端并联阻容网络？这是因为在实际晶闸管电路中，常在其两端并联 rc 串联网络，该网络常称为 rc 阻容吸收电路。阻容吸收：晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，r-c 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。我们知道，晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率 dlv/

59、dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个 pn 结组成。在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，如图 2-10 其 j2 结结面相当于一个电容。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容，并通过 j3 结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不

60、允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联 rc阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的（变压器漏感或负载电感），所以与电容 c9 串联电阻 r6 可起阻尼作用，它可以防止 r、l、c 电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。rc 阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。3. 整流晶闸管阻容吸收元件的选择（1）电容的选择