【文章內(nèi)容簡介】 程定時器 /計(jì)數(shù)器（可自動預(yù)置初始計(jì)數(shù)值） 10. 2個 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個中斷源可來自定時器 A/B、時基、 2個外部時鐘源輸入和鍵喚醒 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)時鐘信號 16. 32768Hz實(shí)時時鐘 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. 測量范圍： 200~+850 2. 允許偏差值△。 C： A級177。（ +）， B級177。（ +） 畢業(yè)論文 5 3. 熱響應(yīng)時間 30s 4. 最小置入深度：熱電阻最小置入深度≥ 200mm 5. 允許電流≤ 5mA 另外， Pt100溫度傳感器還具有抗震動、熱穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓的優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線性較好，在 0~100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于 。 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，整個系統(tǒng)以 SPCE061A為核心，前向通道包括傳感器及其信號放大電路，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)動電路。 SPCE061A內(nèi)部有 8路 10位精度的 A/D轉(zhuǎn)換器 ，可以直接將傳感器信號放大后輸入其A/D轉(zhuǎn)換通道。 SPCE061A實(shí)時采樣溫度，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??；同時通過 UART接口傳送上位 PC機(jī)。 圖 22系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)采用 PID閉環(huán)控制方案，如圖 23所示，將預(yù)置初值與傳感器反饋信號比較得到偏差（ e），對偏差（ e）進(jìn)行 PID運(yùn)算處理得到控制量（ u），通過此量來控制加熱器的加熱時間，從而控制加熱功率。由于水本身具有很大的熱慣性，所以必須 對水溫的變化趨勢作出預(yù)測，并且根據(jù)需要及時反方向抑制，以防止出現(xiàn)較大的超調(diào)量和波動，在 PID控制中，積分環(huán)節(jié)（ I）具有很強(qiáng)的滯后效應(yīng)，而微分環(huán)節(jié)（ D）則具有預(yù)見性，所以該方案最終采用 PD算法，能夠很好的控制超調(diào)，并且穩(wěn)態(tài)誤差也很小。 畢業(yè)論文 6 圖 23 系統(tǒng) PID控制方案 畢業(yè)論文 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 以 SPCE061A為核心控制器，包括傳感器電路，鍵盤和顯示電路和 UART通信電路 3大模塊，下面逐個模塊介紹： 傳感器電路 傳感器電路包括傳感器測量電 橋和放大電路兩部分，如圖 31所示。 圖 31 傳感器放大電路 R R R4和 Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過 TL431穩(wěn)至 。從電橋獲取的差分信號通過兩級運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻 R3，通過調(diào)節(jié) R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。 放大電路采用 LM358集成運(yùn)算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖 31所示，前一級約為 10倍，后一級約為 3倍。溫度在 0100度變化，當(dāng)溫度上升時， Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓 Av對應(yīng)升高。 注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過 TL431穩(wěn)壓，但是整個模塊的電壓 VCC一定要穩(wěn)定，否則隨著 VCC的波動，運(yùn)放 LM358的工作電壓波動，輸出電壓 Av隨之波動，最后導(dǎo)致 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動，測量結(jié)果上下跳變。 畢業(yè)論文 8 按鍵和顯示電路 按鍵直接使用 61板自帶的按鍵，其電路如圖 32所示，不需要連接硬件即可使用。 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)。 LED鍵盤模組主要功能有： 1. 擴(kuò)展了 6位 8段數(shù)碼管，最大顯示數(shù)據(jù)為 999999； 2. 8個發(fā)光二極管，可作為顯示狀態(tài)信息使用； 3. 8個按鍵，可以組成 1*8KEY也可組成 2*4KEY； 4. 一個電位器，可以提供 0－ 5V的模擬電壓信號或者 0— ,與模組輸入的 VDD有關(guān)。 5. 鍵盤 LED模組接口簡單，可方便與任何一款單片機(jī)進(jìn)行軟硬件接口設(shè) 計(jì)。 電路原理如圖 33所示。在使用時，將 a～ dp接 IOA8～ IOA15， DIG4～ DIG6接IOB3～ 5。 畢業(yè)論文 9 圖 33 顯示電路原理圖 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，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。 畢業(yè)論文 11 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 程序的控制思想：設(shè)置目標(biāo)之后，系統(tǒng)采樣水溫并通過預(yù)設(shè)溫度，歷史偏差等進(jìn)行 PID運(yùn)算產(chǎn)生 fOut輸出參數(shù)，通過該參數(shù)控制加熱時間，從而調(diào)節(jié)加熱器的平均功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 PID控制。整體功能通過主程序和中斷程序配合實(shí)現(xiàn)。 主程序流程： 系統(tǒng)首先初始化 IO,Timer， UART等部件，之后進(jìn)入主循環(huán)，進(jìn)行溫度采樣和相關(guān)處理如圖 41。在系統(tǒng) 運(yùn)行過程中通過按 KEY3鍵重新設(shè)置目標(biāo)溫度。 圖 41 系統(tǒng)主程序 中斷服務(wù)程序： 中斷服務(wù)程序包括 IRQ_52Hz中斷， IRQ_54Hz中斷， IRQ_2TimerB中斷，以及IRQ6_TMB2(1024Hz)中斷。程序流程分別如圖 42， 43， 44， 45。 畢業(yè)論文 12 圖 42 2Hz中斷服務(wù)子程序 圖 43 TimerB中斷服務(wù)子程序 圖 44 4Hz中斷服務(wù)子程序 圖 45 1KHz中斷服務(wù)子程序 畢業(yè)論文 13 子程序設(shè)計(jì) 溫度轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換 :每間隔 1秒執(zhí)行一次溫度采樣操作，每次采樣執(zhí)行 18次 AD轉(zhuǎn)換：在IQR5_2Hz中斷服務(wù)程序中完成。 A/D轉(zhuǎn)換子程序如下 : ADC_Value: r1 = 0 L_AD: r2 = [P_ADC_MUX_Ctrl] // 讀寄存器 [P_ADC_MUX_Ctrl]的 B15位 test r2,0x8000 // 判斷是否轉(zhuǎn)換完畢 jz L_AD // 否，繼續(xù)轉(zhuǎn)換 r3 = [P_ADC_MUX_Data] // 是，則讀出 [P_ADC_MUX_DATA]轉(zhuǎn)換結(jié)果 r3 = r3 lsr 4 r3 = r3 lsr 2 // 高 10位數(shù)據(jù)移到低 10位 r2 = r1 + _giADC_DataSave [r2] = r3 // 將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到數(shù)組 giADC_DataSave[] r1= r1 + 1 cmp r1,18 // 是否完成 18次轉(zhuǎn)換 jne L_AD // 否，繼續(xù)轉(zhuǎn)換 r1 = 1 [_G_ADC_flag] = r1 // 是，置轉(zhuǎn)換成功標(biāo)志 G_ADC_flag畢業(yè)論文 14 A/D處理： A/D處理包括兩方面內(nèi)容，一是 A/D值的濾波處理，二是 A/D值向?qū)嶋H溫度轉(zhuǎn)換。由于干 擾或者電路噪聲的存在，在采樣過程當(dāng)中會出現(xiàn)采樣信號與實(shí)際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號的高低波動，為了減少這方面原因造成的測量誤差，在實(shí)際采樣時采樣 18個點(diǎn)，然后再除去其中偏差較大的兩個點(diǎn)，即一個最大值和一個最小值，再對剩余的 16個點(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。 溫度轉(zhuǎn)換的 C語言實(shí)現(xiàn)過程為： fT = (adc_data * K) – B。 //換算成溫度值 本方案取 K=， B= 雖然 Pt100的線性很好，但是當(dāng)測量范圍比較大時，非線性誤差就會變大，這是可以采取分段取 K值的方法來實(shí)現(xiàn)非線性校正。 PID控制的實(shí)現(xiàn) PID簡介： PID控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已經(jīng)形成一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng) 用，在眾多的工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。 PID工作基理：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化采集后經(jīng)變送器送至 PID控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號取改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生變化，并趨向于給定值，已達(dá)到控制目的，如圖 46所示，其實(shí) PID的實(shí)質(zhì)就是對偏差（ e值 ） 進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程。 畢業(yè)論文 15 圖 46 模擬 PID控制系統(tǒng)原理圖 PID控制器的控制規(guī)律可以描述為： 00 )()(1)()( ?? ??????? ??? ? dt tdeTdtteTteKpt T D 公式 1 比例（ P）控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（ I）控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤 差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分（ D）控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為 P、 PI、 PD、 PID等不同的控制模型。 數(shù)字 PID的實(shí)現(xiàn)： 在連續(xù) 時間控制系統(tǒng)（模擬 PID控制系統(tǒng)）中， PID控制