水溫控制系統(tǒng).pdf

北京北陽(yáng)電子技術(shù)有限公司北京北陽(yáng)電子技術(shù)有限公司 電子競(jìng)賽電子競(jìng)賽 具有語(yǔ)音播報(bào)功能的水溫控制系統(tǒng)具有語(yǔ)音播報(bào)功能的水溫控制系統(tǒng) Electroncompetition Specification Technology for Easy Life http：/ 2 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 目錄目錄 具有語(yǔ)音功能的水溫控制系統(tǒng)3 摘要 3 一、方案設(shè)計(jì)與論證 .4 二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4 2.1 電路方框圖及說(shuō)明4 2.2 各部分電路設(shè)計(jì) .5 三、軟件設(shè)計(jì).9 3.1PID 控制算法介紹 .9 3.2 程序結(jié)構(gòu)圖 .11 3.3 主程序流程圖 .12 3.4 中斷流程圖 .13 3.5 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果14 四、總結(jié).14 五、參考資料.14 Technology for Easy Life http：/ 3 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 具有語(yǔ)音功能的水溫控制系統(tǒng)具有語(yǔ)音功能的水溫控制系統(tǒng) 摘要摘要 本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī) SPCE061A 實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度信號(hào)由 PT1000 和 電壓放大電路提供。通過(guò) PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐功率和水溫控制。同時(shí)，具有溫度數(shù)字 語(yǔ)音播報(bào)和顯示。 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞： SPCE061A 單片機(jī) Pt1000 PID SPCE061A 單片機(jī)概述 SPCE061A 單片機(jī)概述 SPCE061A 是繼nSP 系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽(yáng)科技推出的又一個(gè) 16 位結(jié)構(gòu) 的微控制器。目前有兩種封裝形式：84 引腳的 PLCC84 封裝和 80 引腳的 LQFP80 貼 片封裝。 主要性能如下： 16 位nSP 微處理器； 工作電壓：VDD 為 2.43.6V(cpu), VDDH 為 2.45.5V(I/O)； CPU 時(shí)鐘：32768Hz49.152MHz ； 內(nèi)置 2K 字 SRAM、內(nèi)置 32K FLASH； 可編程音頻處理； 32 位通用可編程輸入/輸出端口； 32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)； 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)； 2 個(gè) 10 位 DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道； 7 通道 10 位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道語(yǔ)音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器； 聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器自動(dòng)增益控制(AGC)功能； 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))耗電小于 2A3.6V； 14 個(gè)中斷源：定時(shí)器 A / B，2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，時(shí)基，鍵喚醒等； 具備觸鍵喚醒的功能； 使用凌陽(yáng)音頻編碼 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容納 210 秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)； 具備異步、同步串行設(shè)備接口； 具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能； 內(nèi)置在線仿真電路接口 ICE（In- Circuit Emulator） ； 具有保密能力； 具有 WatchDog 功能（由具體型號(hào)決定） Technology for Easy Life http：/ 4 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 一、方案設(shè)計(jì)與論證一、方案設(shè)計(jì)與論證 本題目是設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，對(duì)象為 1 升凈水，加熱器為 1 千瓦電熱爐。要 求能在 40 攝氏度至 90 攝氏度范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，靜態(tài)控制精度為 0.2 攝氏度。 并具有較好的快速性與較小的超調(diào)，以及十進(jìn)制數(shù)碼管顯示、溫度曲線打印、語(yǔ) 音播報(bào)溫度等功能。 1、 測(cè)量部分 方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精 度、重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè)小于 1 攝氏度的信號(hào)是不適用的。 方案二：采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化 性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線性較好。在 0100 攝氏度 時(shí)， 最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度。 鉑熱電阻與溫度關(guān)系是， Rt = R0(1+At+Bt*t); 其中 Rt 是溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻；R0 是溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻；t 為任意溫 度值，A,B 為溫度系數(shù)。 2、 驅(qū)動(dòng)控制部分 方案一：此方案采用 89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實(shí) 現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。但是 89C51 需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足數(shù)據(jù)采樣。如 果系統(tǒng)增加語(yǔ)音播放功能，還需外接語(yǔ)音芯片，對(duì)外圍電路來(lái)說(shuō)，比較復(fù)雜，且 軟件實(shí)現(xiàn)也較麻煩。另外，51 單片機(jī)需要用仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。 方案二:此方案采用 SPCE061A 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)內(nèi)置 8 路 ADC,2 路 DAC, 且集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，配有很多語(yǔ)音播放函數(shù)，用 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放極為方 便。另外，比較方便的是該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實(shí)現(xiàn)在線調(diào) 試，這大大加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。 二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 2.1 電路方框圖及說(shuō)明電路方框圖及說(shuō)明 Technology for Easy Life http：/ 5 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 SPCE061A 16bit CPU 鍵盤設(shè)定 數(shù)據(jù)顯示 串行接口-PC- -打印 數(shù)據(jù)采集 繼電器熱電爐 語(yǔ)音播放 1、 語(yǔ)音播放：語(yǔ)音播放水溫設(shè)置溫度，并播報(bào)整數(shù)溫度變化。 2、 鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定。共三個(gè)按鍵。 KEY1: 設(shè)置溫度的十位數(shù)；0-9 KEY2: 設(shè)置溫度的個(gè)位數(shù)；0-9 KEY3: 溫度設(shè)置確認(rèn)；并語(yǔ)音播報(bào)./溫度重新設(shè)置。 系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按 KEY1 次數(shù),十位的數(shù)碼管順序增 加。 同樣 KEY2,也如此。按 KEY3 后，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)溫，開(kāi)關(guān)電爐。并語(yǔ)音播報(bào)變化 的整數(shù)值溫度。 3、 數(shù)據(jù)采樣：將電壓信號(hào)經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后，換算成溫度值，用于播報(bào)和顯示。 4、 數(shù)據(jù)顯示：采用三位八段數(shù)碼管顯示，設(shè)置溫度與測(cè)量溫度，顯示小數(shù)點(diǎn)后 1 位數(shù)字。 5、 串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至 PC 機(jī)，描繪曲線并打印。 繼電器/熱電爐：通過(guò)三極管控制繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)完成對(duì)熱電爐的功率控制。 2.2 各部分電路設(shè)計(jì)各部分電路設(shè)計(jì) 1、 CPU 本系統(tǒng)采用 SPCE061A 芯片作為核心部件，SPCE061A 內(nèi)部帶有 8 路 ADC 和 2 路的 DAC,32 個(gè) IO 口，內(nèi)置 32K 字閃存和 2K 字的靜態(tài)存儲(chǔ)器。用來(lái)實(shí)現(xiàn) 水溫控制資源足夠使用。 Technology for Easy Life http：/ 6 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 +C29 100u C8 104 + C5 100u +C4 100u C7 104 +C17 100u C18 104 C28 104 U1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 33 34 35 36 37 38 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 39 40 30 31 32 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 75 76 77 70 71 72 73 74 78 79 80 81 1 2 3 82 83 84 4 5 6 7 8 9 10 11 OSC32O OSC32I XTEST VDD XICE XICECLK XICESDA VSS PVIN DAC1 DAC2 VREF2 VSS AGC OPI MICOUT MICN PFUSE MICP VCM VRTPAD VDD VMIC VSS IOA0 IOA1 IOA2 IOA3 IOA4 IOA5 IOA6 IOA7 VSS VSS VDDH VDDH IOA8 NC NC NC NC NC IOA9 IOA10 IOA11 IOA12 IOA13 IOA14 IOA15 XROMT VSS XSLEEP IOB15 IOB14 IOB13 IOB12 IOB11 PVPP VDDH IOB10 IOB9 NC NC NC NC NC IOB8 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 IOB3 IOB2 NC NC NC IOB1 IOB0 XRESB VDD VCP VSS NC NC + C27 100u C31 104 VSS IOA6 IOA15 VMIC VREF2 IOA8 IOA13 IOA11 AVSS1 IOB4 VDDH RES_B IOB3 ICE_EN VDDH VSS OSCI IOA3 IOA7 AGC ICE_SCK OSCO VSS IOA5 VSS IOB5 VDDH IOA1 VDD_P VSS IOB7 DAC1 MICOUT MICN IOA0 IOA12 IOB12 VCM IOB1 IOB14 IOB10 IOB6 VSS IOA10 IOA2 VCP IOA4 IOB13 IOB2 VDD IOB0 DAC2 IOB9 SLEEP VRT AVSS1 IOA9 DAC VSS VDD_A IOB11 MICP IOA14 ICE_SDA OPI VSS IOB8 IOB15 AVSS1 IOA2 V5 IOA0 IOA1 2、鍵盤設(shè)置電路 IOA0 接 KEY1,IOA1 接 KEY2,IOA2 接 KEY3。 S4 K3 S3 K2 KEY S2 K1 3、數(shù)碼顯示電路 外接三位數(shù)碼管，通過(guò)三極管控制 LED 片選。 Technology for Easy Life http：/ 7 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 Q2 80502 13 R32 R-PACK4 12 34 56 78 LED5641A U10 13 9 4 2 1 12 5 3 8 14 11 7 10 6 A+ B+ C+ D+ E+ F+ G+ DP+ DD+ COM1- COM2- DD- COM3- COM4- Q3 8050 2 13 LED-3 Q1 80502 13 R32 R-PACK4 12 34 56 78 C25 104R9 1K 13 2 J3 Speaker 1 2 C26 104 SPL R10 1K + C21 100u J12 PHONEJACK 1 2 3 J2 CON3 1 2 3 C20 104 C23 224 + - U2 SPY0030 5 4 6 1 2 83 7 DAC SPH IOB0 IOA12 IOA14 IOA11 IOB1 IOB2 IOA13 IOA8 IOA10 IOA15 IOA9 DAC VDDH AVSS2 VSS 4、音頻輸出電路 通過(guò) SPY0030 功率放大器，驅(qū)動(dòng)喇叭。完成語(yǔ)音播放。 5、熱電爐控制電路 通過(guò)三極管控制繼電器的開(kāi)關(guān)。 Technology for Easy Life http：/ 8 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 CONTROL TEMPERATURE VCC Q8 NPN8050 K1 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 IOA4 6、測(cè)溫部分電路 VCC VCC_5V VCC D1 1.2V 100k R CHECK_TEMPERATURE + - U1B HT9274 5 6 7 411 R3 R 100k 1MVCC R4 Pt1000 1k + - U1A HT9274 3 2 1 411 1M 溫度傳感器使用 Pt 電阻，運(yùn)放采用 HT9274 集成芯片。因?yàn)?Pt 電阻在 0 攝氏 度時(shí)， 阻值為 1 千歐姆， 在 100 攝氏度時(shí)， 阻值為 1380 歐姆， 則表示阻值變換從 0380 歐姆，電壓從 0V-3.3V。 采用差動(dòng)運(yùn)放，通過(guò)可調(diào)分壓電阻可以滿足零點(diǎn)調(diào)節(jié)。因 為 Pt 電阻中電流基本為 12mA,則 Pt 電阻電壓就在 0380mV 波動(dòng)。因此采用 10 倍 電壓放大?；緷M足 SPCE061A 數(shù)模轉(zhuǎn)換。 6、串行通訊部分電路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)能同 PC 聯(lián)機(jī)通信， 已利用 PC 圖形處理能力打印顯示溫度 曲線。由于 SPCE061A 串行口為 TTL 電平，PC 串行口為 RS232 電平，使用一片 MAX232 為電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。通信速率為 9600 波特率。數(shù)據(jù) 5 秒傳輸一次。 Technology for Easy Life http：/ 9 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 VB1 SUB-D 9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 C5 104 U1 HIN232CP 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 C1+ V+ C1- C2+ C2- V- DOUT2 RIN2ROUT2 DIN2 DIN1 ROUT1 RIN1 DOUT1 GND VCC VDDH + C11 0.1u + C4 0.1u + C10 0.1u + C3 0.1u XTXD1 VDDH XRXD1 三、軟件設(shè)計(jì)三、軟件設(shè)計(jì) 3.1PID 控制算法介紹控制算法介紹 控制器被控對(duì)象 s(k) - e(k)u(k) y(k) 圖 PID 算法有兩種： 直接計(jì)算法就是當(dāng)前需要的控制量。 公式：Pout = Kp * e(t) + Ki * e(t) + Kd (e(t) e(t-1); 增量計(jì)算法就是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運(yùn)算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說(shuō) 在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加的控制量。 Technology for Easy Life http：/ 10 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 公式：Pout(t-1) = Kp*(e(t) e(t-1) + Ki e(t) + Kd(e(t) 2*e(t-1) + e(t-2); 基本偏差:e(t) 表示當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或 負(fù)，正數(shù)表示還沒(méi)有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù) 據(jù)。 累計(jì)偏差： e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+.+e(1),這是我們每一次測(cè)量到的偏差值的 總和，這是代數(shù)和，考慮到正負(fù)符號(hào)的運(yùn)算，這是面向積分項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。 基本偏差的相對(duì)偏差：e(t) e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于 考察當(dāng)前控制的對(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng) 數(shù)據(jù)。 比例調(diào)節(jié)作用：比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生 調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例， 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行， 直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常 數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng) 穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用：微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化 的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消 除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有 放大作用，因此過(guò)強(qiáng) 的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化 時(shí)，微分作用輸出為 微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器。 Technology for Easy Life http：/ 11 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 程 序 結(jié) 構(gòu) 鍵 盤 掃 描 鍵 值 處 理 PID計(jì)算 AD 采 樣及上傳 繼 電 器 控 制 語(yǔ) 音 播 報(bào) LED 顯 示 3.2 程序結(jié)構(gòu)圖程序結(jié)構(gòu)圖 Technology for Easy Life http：/ 12 歷屆全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)方案 3.3 主程序流程圖主程序流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 取鍵值 語(yǔ)音播報(bào)處理 鍵值處理 是否有采樣數(shù)據(jù)處理 PID計(jì)算 繼電器控制 Y N Technology for Easy L