文獻翻譯BG080420丁鍵(中文翻譯)——電熱水器的優(yōu)化控.doc

9電熱水器的優(yōu)化控制與微機系統(tǒng) 電熱水器的優(yōu)化控制與微機系統(tǒng)摘要：廣義地說，微處理系統(tǒng)是用于處理信息的，這種信息可以是電話交談，儀器讀數(shù)或企業(yè)帳戶，但是各種情況下都涉及相同的主要操作：信息處理、存儲和傳遞。在常規(guī)的電子設計中，這些操作都是以功能平臺方式組合起來的，例如計數(shù)器，無論是電子還是機械的，都要存儲當前值，并按要求將該值增1。諸如采用計數(shù)器的電子鐘之類的任一系統(tǒng)要使其存儲和處理能力遍布整個系統(tǒng)，因為每個計數(shù)器都能存儲和處理一些數(shù)字。當前微處理化系統(tǒng)與上述的常規(guī)方法不同，它將處理，存儲和傳輸三個功能分離形成不同的系統(tǒng)單元。這種形成三個主要單元的分離方法是馮-諾依曼在20世紀40年代所設想出來的，并且是針對微計算機的設想。從此幾乎所有制成的計算機都是用這種結(jié)構(gòu)設計的，盡管包含寬廣的物理形式，從根本上來說他們均是具有相同的基本設計。 關鍵詞：微機處理；優(yōu)化；控制系統(tǒng)；存儲系統(tǒng)；輸入輸出口1 簡介單片機也被稱為微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。 單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可。用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 2 基本概念在微處理器系統(tǒng)中，處理是由微處理器本身完成的。存儲是利用存儲器電路，而進入和出自系統(tǒng)的信息傳輸則是利用特定的輸入/輸出（I/O）電路。要在一個微處理器化時鐘中找出執(zhí)行計數(shù)功能的一個特殊硬件是不可能的，因為時間存儲在存儲器中，而在固定的時間間隔下由微處理器控制增值。但是，規(guī)定系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程的軟件包含實現(xiàn)計數(shù)器功能的單元。由于系統(tǒng)幾乎完全由軟件所定義，所以對微處理器結(jié)構(gòu)和其輔助電路這種看起來非常抽象的處理方法使其在應用時非常靈活。這種設計過程主要是軟件工程，而且在生產(chǎn)軟件時，就會遇到產(chǎn)生于常規(guī)工程中相似的構(gòu)造和維護問題。 圖1.1 微型計算機的三個組成部分圖1.1顯示出了微型計算機中這三個單元是如何按照機器中的信息通信方式而聯(lián)接起來的。該系統(tǒng)由微處理器控制，它管理自己與存儲器和輸入/輸出單元的信息傳輸。外部的連接與工程系統(tǒng)的其余部分（即非計算機部分）有關。盡管圖中顯示的只有一個存儲單元，實際中有RAM和ROM兩種不同的存儲器被使用。由于概念上的計算機存儲器更像一個公文柜，上述的“存儲器”一詞是非常不恰當?shù)?；信息存放在一系列已標號的“箱子”中，而且可按問題由“箱子”的序列號進行信息的參考定位。微計算機常使用RAM（隨機存取存儲器），在RAM中數(shù)據(jù)可被寫入，并且在需要時可被再次讀出。這種數(shù)據(jù)能以任一所希望的次序從存儲器中讀出，不必按寫入時的相同次序，所以有“隨機”存取存儲器。另一類型ROM（只讀存儲器）用來保持不受微處理器影響的固定的信息標本；這些標本在電源切斷后不會丟失，并通常用來保存規(guī)定微處理器化系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程的程序。ROM可像RAM一樣被讀取，但與RAM不一樣的是不能用來存儲可變的信息。有些ROM在制造時將其數(shù)據(jù)標本放入，而另外的則可通過特殊的設備由用戶編程，所以稱為可編程ROM。被廣泛使用的可編程ROM可利用特殊紫外線燈察除，并被成為EPROM，即可察除可編程只讀存儲器的縮寫。另有新類型的期器件不必用紫外線燈而用電察除，所以稱為電可察除可編程只讀存儲器EEPROM。 微處理器在程序控制下處理數(shù)據(jù)，并控制流向和來自存儲器和輸入/輸出裝置的信息流。有些輸入/輸出裝置是通用型的，而另外一些則是設計來控制如磁盤驅(qū)動器的特殊硬件，或控制傳給其他計算機的信息傳輸。大多數(shù)類型的I/O裝置在某種程度下可編程，允許不同形式的操作，而有些則包含特殊用途微處理器的I/O裝置不用主微處理器的直接干預，就可實施非常復雜的操作。 假如應用中不需要太多的程序和數(shù)據(jù)存儲量，微處理器、存儲器和輸入/輸出可全被包含在同一集成電路中。這通常是低成本應用情況，例如用于微波爐和自動洗衣機的控制器。當商品被大量地生產(chǎn)時，這種單一芯片的使用就可節(jié)省相當大的成本。當技術進一步發(fā)展，更強更強的處理器和更大更大數(shù)量的存儲器被包含形成單片微型計算機，結(jié)果使最終產(chǎn)品的裝配成本得以節(jié)省。但是在可預見的未來，當需要大量的存儲器或輸入/輸出時，還是有必要繼續(xù)將許多集成電路相互聯(lián)結(jié)起來，形成微計算機。 微計算機的另一主要工程應用是在過程控制中。這是，由于裝置是按特定的應用情況由微機編程實現(xiàn)的，對用戶來說微計算機的存在通常就更加明顯。在過程控制應用中，由于這種設備以較少的數(shù)量生產(chǎn)，將整個系統(tǒng)安裝在單個芯片上所獲取的利益常比不上所涉及的高設計成本。而且，過程控制器通常更為復雜，所以要將他們做成單獨的集成電路就更為困難?？刹捎脙煞N處理，將控制器做成一種通用的微計算機，正像較強版本的業(yè)余計算機那樣；或者做成“包裹”式系統(tǒng)，按照像電磁繼電器那樣的較老式的技術進行設計，來取代控制器。對前一種情況，系統(tǒng)可以用常規(guī)的編程語言來編程，正如以后要介紹的語言那樣；而另一種情況，可采用特殊用途的語言，例如那種使控制器功能按照繼電器相互連接的方法進行描述。兩種情況下，序均能存于RAM，這讓程序能按應用情況變化時進行相應的變化，但是這使得總系統(tǒng)易受掉電影響而工作不正常，除非使用電池保證供電連續(xù)性。另一種選擇是將程序在ROM中，這樣他們就變成電子“硬件”的一部分并常被稱為“固件”。 盡管大規(guī)模集成電路的應用使小型和微型計算機的差別變得“模糊”，更復雜的過程控制器需要小型計算機實現(xiàn)他們的過程。各種類型的產(chǎn)品和過程控制器代表了當今微計算機應用的廣泛性，而具體的結(jié)構(gòu)取決于對“產(chǎn)品”一詞的解釋。實際上，計算機的所有工程和科學上的應用都能指定來進行這些種類的某一或某些工作。而在本設計中壓力和壓力變送器當某一力加到某一面積上，就形成壓力，假如這力是1牛頓均勻地加在1平方米的面積上，這壓力被定義為1帕斯卡。壓力是一種普遍的工藝狀態(tài)，它也是這個星球上的一個生活條件：我們生活在向上延伸許多英里的大氣海洋的底部?？諝馕镔|(zhì)是有重量的，而且這種下壓的重量形成大氣壓。水，是生活的必需品，也是在壓力之下提供給我們中的大多數(shù)人。在典型的過程工廠中，壓力影響沸點溫度、凝固點溫度、過程效率、消耗和其他重要因數(shù)。壓力的測量和控制，或者壓力的不足真空，在典型的過程控制中是極為重要的。工廠中的工作儀器通常包括壓力計、精密紀錄儀、以及氣動和電動的壓力變送器。壓力變送器實現(xiàn)壓力測量并產(chǎn)生正比于所傳感壓力的氣動或電信號輸出。在過程工廠中，將控制儀表遠遠放在過程的附近是不現(xiàn)實的，并且大多數(shù)測量是不容易從遠處傳來的。壓力測量是一個例外，但是，如果要離測量點幾百英尺外指示或記錄某種危險化學品的高壓，就會有來自這個壓力所載的化學品所引發(fā)的危險。為了消除這一問題，開發(fā)了一種信號傳輸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)常常可是氣動或者電動的。使用這種系統(tǒng)，就可以在某一地點安裝大多數(shù)的指示、記錄和控制儀器。這也是最少數(shù)量的操作者有效的運行工廠成為現(xiàn)實。當使用氣動傳送系統(tǒng)時，測量信號就由變送器將比例為0%100%的測量值轉(zhuǎn)換為氣動信號。變送器安裝在靠近過程中的測量點上。變送器輸出對氣動變送器是輸出壓力通過管道傳給記錄或控制儀表。氣動變送器的標準輸出范圍是20100kPa，這信號幾乎在全球使用。當使用電子壓力變送器時，壓力就被轉(zhuǎn)換成電流或電壓形式的電信號。其標準范圍對電流來說是420mA DC，對電壓信號來說是15V DC。當今，另一種電信號形式變的越來越常用，就是數(shù)字或離散信號?；谟嬎銠C或微處理器的儀器或控制系統(tǒng)的應用正推動這類信號的應用不斷增加。有時，分析獲取描述傳感器/變送器特性的參數(shù)是很重要的。當量程已知，去獲取增益就非常簡單。假定電子壓力傳感器的量程為0600kPa，增益定義為輸出變化除以輸入變化。這里，輸出的電信號（420mA DC），而輸入的過程壓力（0600kPa），這樣增益就為：此外我們在本設計中還必須對溫度進行測量，溫度測量在工業(yè)控制中是很重要的，因為它作為系統(tǒng)或產(chǎn)品狀態(tài)的直接指標，或者作為如反應率、能量流、渦輪機效率和潤滑質(zhì)量等間接指標。現(xiàn)行的溫度分度已使用了約200年，最初的儀器是基于氣體和液體的熱膨脹。現(xiàn)在盡管有許多其他類型的儀器在使用，這些填充式系統(tǒng)仍常用于直接的溫度測量。有代表性的溫度傳感器包括：填充式熱系統(tǒng)、玻璃液體溫度計、熱電偶、電阻溫度探測器、熱敏電阻、雙金屬器件、光學和輻射高溫計和熱敏涂料。電氣系統(tǒng)的優(yōu)點包括高的精度和靈敏度，能實現(xiàn)開關切換或掃描多個測量點，可在測量元件和控制器之間長距離傳輸，出現(xiàn)事故時可調(diào)換元件，快速響應，以及具有測量高溫的能力。其中熱電偶和電阻溫度探測器則被最廣泛的使用。3 詳細說明單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等。現(xiàn)在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇： 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化