【正文】 UART 轉(zhuǎn)換模塊電路 系統(tǒng)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通過 UART接口完成， UART 接口模塊如圖 34所示，使用 MAX232 實(shí)現(xiàn)通信時(shí)的電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)的 UART 接口使用默認(rèn)的的 I/O（ PC4~PC5），使用該功能模塊時(shí)，需將電路中的 J11 全部短接（即 PC4 接 TX， PC5接 RX） 該部分的電路如圖 34所示 畢業(yè)論文 10 圖 34 UART模塊轉(zhuǎn)換電 路 UART模組的 COM1接口與 PC機(jī)串口相連接， J1口的 VCC、 GND、 Tx1分別與 61板的 “ +” 、 “ ” 、 IOB10相連接。 SPCE061A實(shí)時(shí)采樣溫度，通過數(shù)碼管將當(dāng)前溫度在下位機(jī)端顯示出來，并根據(jù)采樣結(jié)果控制加熱器，調(diào)節(jié)平均加熱功率大小；同時(shí)通過 UART接口傳送上位 PC機(jī)。畢業(yè)論文 3 第 2章 系統(tǒng)總體方案介紹 本系統(tǒng)采用 SPCE061A單片機(jī)作為主控制器，采用 LED鍵盤模組作為鍵盤輸入和顯示單元，同時(shí)利用 UART模組將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機(jī)，下面介紹將會(huì)用到的主要器件： 簡介 圖 21 SPCE061A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 SPCE061A 是繼 SPCE500A之后凌 陽科技推出的又一款 16位結(jié)構(gòu)的微控制器。自 18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸所有。 預(yù)期結(jié)果： 在掌握凌陽 16 位微控制器原理、硬件資源的基礎(chǔ)上，熟悉并掌握單片機(jī)和上位機(jī)之間，客戶端和服務(wù)器之間以及客戶端和客戶端之間的通信 .以水溫控制系統(tǒng)為載體完成數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和數(shù)字信號(hào)的處理 ,通過 USB 接口實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信，并且上位機(jī)顯示溫度的 變化曲線 . 采取設(shè)計(jì)方法和技術(shù)支持 （ 設(shè) 計(jì) 方案、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 設(shè)計(jì)方法：采用 C語言編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信，完成數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)上位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì) 。 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 學(xué)生姓名 專 業(yè) 電子信息工程 班 級(jí) 指導(dǎo)教師姓名 職 稱 教授 工作單位 課題來源 教師自擬課題 課題性質(zhì) 應(yīng)用設(shè)計(jì) 課題名稱 溫度測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù) （科學(xué)意義和 應(yīng) 用 前景，國內(nèi)外研究概況，目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā) 展 趨 勢(shì)等） 溫度是一個(gè)十分重要的物理量，對(duì)它的測(cè)量和控制有十分重要的意義。 工作環(huán)境及技術(shù)條件： 1． 凌陽 SPCE061A 開發(fā)板 、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及有關(guān)的技術(shù)手冊(cè)； 2． 計(jì)算機(jī)一臺(tái)、凌陽集成開 發(fā)環(huán)境 、 ResWriter 工具、串口調(diào)試工具等； 3． 相關(guān)測(cè)控系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等參考文獻(xiàn)。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)采用了所謂的服務(wù)器客戶模式。通過此次實(shí)驗(yàn)應(yīng)該能夠達(dá)到研究并簡單的使用的目的。例如：在冶 金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。 信號(hào)采集與溫度控制 信號(hào)采集 —— 控制技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅是系統(tǒng)控制的根本出發(fā)點(diǎn)也是最重要依據(jù)。 SPCE061A性能簡介 1. 16位 u’ nSP微處理器 2. 工作電壓（ CPU） VDD為 ~，（ I/O） VDDH為 ~ 3. CPU時(shí)鐘： ~ 4. 內(nèi)置 2K字 SRAM 5. 內(nèi)置 32K字 FLASH 6. 可編程音頻處理 7. 晶體振蕩器 8. 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)）耗電僅為 2uA/ 9. 2個(gè) 16位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值） 10. 2個(gè) 10位 DAC（數(shù) /模轉(zhuǎn)換）輸出通道 11. 32位通用可編程輸入 /輸出通道 12. 14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器 A/B、時(shí)基、 2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入和鍵喚醒 13. 具備觸鍵喚醒的功能 14. 使用凌陽音頻編碼 SACM_S480可以播放壓縮的語音資源 15. 鎖相環(huán) PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào) 16. 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘 17. 7通道 10位電壓模 /數(shù)轉(zhuǎn) 換器（ ADC）和單通道聲音模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 18. 聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器，并具有自動(dòng)增益控制 (AGC)功能 19. 具備串行設(shè)備接口 20. 具備低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測(cè)功能 21. 內(nèi)置在線仿真電路接口 22. 具有 WatchDog功能 Pt100 溫度傳感器簡介 Pt100溫度傳感器位正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1. 測(cè)量范圍： 200~+850 2. 允許偏差值△。 注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過 TL431穩(wěn)壓，但是整個(gè)模塊的電壓 VCC一定要穩(wěn)定，否則隨著 VCC的波動(dòng)，運(yùn)放 LM358的工作電壓波動(dòng)，輸出電壓 Av隨之波動(dòng)，最后導(dǎo)致 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果上下跳變。由于干 擾或者電路噪聲的存在，在采樣過程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)采樣信號(hào)與實(shí)際信號(hào)存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號(hào)的高低波動(dòng)，為了減少這方面原因造成的測(cè)量誤差，在實(shí)際采樣時(shí)采樣 18個(gè)點(diǎn)，然后再除去其中偏差較大的兩個(gè)點(diǎn)，即一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再對(duì)剩余的 16個(gè)點(diǎn)取均值，這樣得到的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實(shí)際值，在對(duì)數(shù)值進(jìn)行濾波操作之后，還要將 A/D值轉(zhuǎn)換為溫度，常用的兩種方法為查表法和公式法：查表法比較麻煩，而且精度也不高，適合于線性化比較差的 NTC溫度傳感器：公式法比較簡單，只需要確定比例系數(shù) K和基準(zhǔn)偏差 B即可，適合于線性化較好的 傳感器。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活 ，能滿足一般的控制要求。 // 積分，歷史偏差累加 dError = Error－ ppLastError。 //PID計(jì)算 if(fOut=0) *P_IOA_Buffer amp。0x0040)==0)。 break。 ucReciver = (unsigned char *)(pvData)。 本程序以中文企業(yè)版 VC6. 0 為軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 , 在 W indow s2021,W indow sXP 下調(diào)試成功繪圖界面包括串行口設(shè)置、功能按鈕、曲線輸出窗口三部分，如圖 43所示，在使用時(shí)選擇正確的端口，上下位機(jī)的波特率，數(shù)據(jù)格式要一致。另外采用 VC實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)相互通信，在上位機(jī)直接顯示溫度的變化曲線，直接觀察控制的性能，并根據(jù)曲線適當(dāng)?shù)男薷南?統(tǒng)的 PID參數(shù)，使控制達(dá)到最優(yōu)化。 畢業(yè)論文 25 致 謝 本文研究工作是在我的導(dǎo)師教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開題伊始到論文結(jié)束，我所取得的每一個(gè)進(jìn)步、編寫的每一段程序都無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。 圖 47 繪圖部分界面 PID參數(shù)的整定： 由 PID控制原理知：比例（ P）控制能迅速反應(yīng)誤差，減小穩(wěn)態(tài)誤差；比例作用的加大，會(huì)引起系統(tǒng) 的不穩(wěn)定。i3。 break。 //幀尾 } UART發(fā)送每隔 1s執(zhí)行一次，以數(shù)據(jù)包格式發(fā)送：幀頭（ 0xaa）、 幀尾（ 0x55），中間兩個(gè)字節(jié)為溫度部分，前一個(gè)字節(jié)為溫度的整數(shù)部分，后一個(gè)字節(jié)為溫度的小數(shù)部分。 //溫度高于設(shè)定值，關(guān)閉加熱器 else *P_IOA_Buffer |= 0x0080。 // 保存 ppLastError = Error。 由于計(jì)算機(jī)基于采樣控制理論，計(jì)算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬 PID 控制算法（如公式 1 所示），所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以 T 為采樣周期， k 為采樣序號(hào)，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的 PID計(jì)算公式離散，式 1 就可以離散為：010 )( ?? ????? ?? kkDTjIpk eeKeKK 這樣就可以讓計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)通過采樣的 方式實(shí)現(xiàn) PID控制，具體的 PID控制又分為位置式 PID控制和增量式 PID控制；如果計(jì)算機(jī)只對(duì)相鄰的兩次作計(jì)算，只考慮在前一次基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計(jì)算，這種控制叫做增量式PID控制算法，其實(shí)質(zhì)就是求Δμ的大小。 //換算成溫度值 本方案取 K=， B= 雖然 Pt100的線性很好，但是當(dāng)測(cè)量范圍比較大時(shí)，非線性誤差就會(huì)變大，這是可以采取分段取 K值的方法來實(shí)現(xiàn)非線性校正。 圖 32 獨(dú)立按鍵原理圖 顯示采用 LED鍵盤模組 6位數(shù)碼管的其中 3位進(jìn)行 動(dòng)態(tài)顯示，基于單片機(jī)常用外圍器件的擴(kuò)展而設(shè)計(jì)的 LED鍵盤模組，它集成了必要的 LED、 KEY、數(shù)碼管功能，可與任一款單片機(jī)進(jìn)行軟硬件接口設(shè)計(jì)。（ +）， B級(jí)177。 由于 PID控制技術(shù)成熟 ,控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)字模型便可以調(diào)節(jié)，所以在溫度測(cè)控系統(tǒng)中通常采用 PID算法。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進(jìn)度 (以周為單位 ) 時(shí)間進(jìn)度安排： 1．第七學(xué)期第 6周～第 15周，查閱資料，完成開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、外文文獻(xiàn)翻譯； 2．第七學(xué)期第 16周～第 17周，開題報(bào)告審閱、答辯； 3．第八學(xué)期第 1周～第 4周，確定總體方案，畫出總體系統(tǒng)圖和控制軟件框圖； 4．第八學(xué)期第 5周～第 7周，器件選型，各控制算法研究及子程序編程； 5．第八學(xué)期 第 8周～第 11周，系統(tǒng)調(diào)試，滿足技術(shù)要求； 6．第八學(xué)期第 12周～第 15周，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文并通過驗(yàn)收。 設(shè)計(jì)內(nèi)容和預(yù)期成果 （具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和重點(diǎn)解決的技術(shù)問題、預(yù)期成果和提供的形式） 設(shè)計(jì)內(nèi)容： 16位微控制器原理、硬件資源；熟悉上下位機(jī) .的設(shè)計(jì)。 2． 熟悉應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件流程。 5． 最終成果為：系統(tǒng)（單元）電路圖、器件清單、軟件清單和論文。采用 C語言編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信。對(duì)本設(shè)計(jì)（論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確 方式標(biāo)明。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。 本課題以水溫控制系統(tǒng)為載體，利用 SPCE061A自帶的 A/D轉(zhuǎn)換器，結(jié)合 Pt100傳感器完成對(duì)水溫的采樣，通過數(shù)字濾波等技術(shù)消除系統(tǒng)的干擾因素還原當(dāng)前的溫度值，并且對(duì)采集到的溫度值進(jìn)行 PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，通過串口通信傳送給上位 PC，通過曲線顯示軟件進(jìn)行顯示。 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)如圖 22所示，整個(gè)系統(tǒng)以 SPCE061A為核心，前向通道包括傳感器及其信號(hào)放大電路，按鍵輸入電路；后向通道包括： LED顯示電路，上位機(jī)通信電路以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路。 電路原理如圖 33所示。 PID工作基理：由于來自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。 // 設(shè)定目標(biāo) Desired Value float Proportion。 Error = ppSetPoint*10 － NextPoint。 IRQ2_TMB中斷一直處于允許狀態(tài)，每進(jìn)入一次 IRQ2_TMB中斷， fOut參數(shù)減 1，直到 fOut = 0，停止加熱。