畢業(yè)設(shè)計(jì)-單片機(jī)的溫度采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 基于SPCE061A單片機(jī)的溫度采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào)

2、 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) </p><p>　　所在學(xué)院 工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師（職稱） </p><p>　　二○○七 年 六 月 一 日</p><p>　

3、　基于SPCE061A單片機(jī)的溫度采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　【摘 要】 單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用廣泛采用。本設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的SPCE061A 16 位單片機(jī)作為控制核心微控制器采集控制水溫。PT100鉑電阻傳感器、LM358 集成運(yùn)算放大器和10位高精度AD（單片機(jī)內(nèi)集成）等電子元件完成溫度采集傳送；LED數(shù)碼管顯示和1*4鍵盤進(jìn)行參數(shù)

4、的顯示和輸入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)顯示?？刂撇糠植捎肞ID算法,實(shí)時(shí)更新PWM控制輸出參數(shù),控制繼電器的通斷時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的高精度控制。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 SPCE061A單片機(jī)、PT100鉑電阻傳感器、PID控制算法。</p><p>　　Design of Temperature Sampling and Control System based on SPCE061A

5、 MCU</p><p>　　【Abstract】 The temperature survey and the control in profession and so on industry, agriculture, national defense has the widespread application. Using monolithic integrated circuit technology

6、 temperature observation and control system by its volume small, the reliability is high but is widely used. This article has carried on the analysis design to this observation and control system.</p><p>　　【

7、Keywords】SPCE061A PT100 PID control system </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章緒 論1</p><p>　　1.1概 述1</p><p>　　1.2選題意義1</p><p>　　1.3可

8、行性分析2</p><p>　　1.4國(guó)內(nèi)外溫度控制器的分析3</p><p>　　1.4.1 溫控產(chǎn)品的特點(diǎn)3</p><p>　　1.4.2 國(guó)內(nèi)外溫控產(chǎn)品現(xiàn)狀4</p><p>　　1.4.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀總結(jié)6</p><p>　　1.5代表性設(shè)計(jì)案例分析6</p><p>　

9、　第2章設(shè)計(jì)方案的選定8</p><p>　　2.1溫控設(shè)計(jì)的方案8</p><p>　　2.2控制處理器的比較分析8</p><p>　　2.3溫度傳感器的分析選擇9</p><p>　　2.4單片機(jī)與上位機(jī)PC通信分析11</p><p>　　2.5控制算法的分析11</p>

10、<p>　　2.6基于AT89C51和SPCE061A的方案對(duì)比分析13</p><p>　　第3章溫度控制系統(tǒng)總體介紹15</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)名稱及要求15</p><p>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)15</p><p>　　3.3系統(tǒng)整體框架說(shuō)明15</p><p>　　第4章

11、 各部分電路模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明17</p><p>　　4.1單片機(jī)SPCE061A 模塊簡(jiǎn)介17</p><p>　　4.2SPCE061A 精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介19</p><p>　　4.3鍵盤顯示模塊20</p><p>　　4.4 傳感器PT100 簡(jiǎn)介23</p><p>　　4.5 放大電路24&l

12、t;/p><p>　　4.6 功率驅(qū)動(dòng)電路模塊25</p><p>　　第5章軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.1 軟件總體設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.2 溫度轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)27</p><p>　　5.3 PID 控制的實(shí)現(xiàn)29</p><p>　　5.4 溫度控制PID 算法設(shè)計(jì)

13、31</p><p>　　第6章 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)37</p><p>　　6.1 設(shè)計(jì)結(jié)論37</p><p>　　6.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì)37</p><p><b>　　6.3 致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p>

14、<p><b>　　附錄41</b></p><p>　　附錄A：系統(tǒng)原理圖41</p><p>　　附錄B：軟件源代碼42</p><p><b>　　2 4 6 10</b></p><p><b>　　第1章緒 論</b></p><

15、;p><b>　　1.1概 述</b></p><p>　　本人是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，按照學(xué)校培養(yǎng)“應(yīng)用型人才”和社會(huì)需求“復(fù)合型人才”為目標(biāo)，歷經(jīng)四年的學(xué)習(xí)，具備了機(jī)械設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，能在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)制造、科技開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理和經(jīng)營(yíng)銷售等。</p><p>　　在現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)中自動(dòng)化控制起著核心控制的作

16、用，是不可缺少的一部分。畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，符合本專業(yè)自動(dòng)化方向，同時(shí)也是本人將來(lái)工作的發(fā)展方向。</p><p>　　在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中信號(hào)采集是的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅是系統(tǒng)控制的根本出發(fā)點(diǎn)也是最終衡量系統(tǒng)控制性能的重要依據(jù)之一。在一個(gè)完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)中，首先要檢測(cè)當(dāng)前被控對(duì)象的狀態(tài)，就必須對(duì)被控對(duì)象的狀態(tài)信息（比如常見(jiàn)的溫度，流量，速度，液位等信息）進(jìn)行采集，并能夠?qū)⒋诵畔⑦€原為實(shí)際的溫度，流量等

17、信息，并以此作為控制的根本出發(fā)點(diǎn)?？刂平Y(jié)果與目標(biāo)的一致性也必須通過(guò)信號(hào)采集來(lái)衡量，只有采集當(dāng)前的狀態(tài)信息，并對(duì)該信息進(jìn)行分析才能了解控制過(guò)程的好壞，才能做出進(jìn)一步的優(yōu)化。由此可以說(shuō)信號(hào)采集在系統(tǒng)控制中起著至關(guān)重要的作用，本設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)是如何精確采集、傳送和處理溫度信號(hào)。</p><p><b>　　1.2選題意義</b></p><p>　　自動(dòng)化溫度控制在許多行業(yè)

18、中都發(fā)揮著重要的作用，如：冶金工業(yè)中爐膛溫度控制，食品加工烤箱的溫度控制，化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)池溫度控制。不同行業(yè)的需求對(duì)自動(dòng)化溫度控制提出了不同的要求，溫度控制的范圍，精度，響應(yīng)的時(shí)間等要求都不相同，但是控制的原理是相同的：由微處理器處理采集的溫度數(shù)據(jù)控制溫度調(diào)節(jié)單元來(lái)獲得預(yù)期的溫度?；镜钠骷蓽囟炔杉?，信號(hào)傳輸，處理運(yùn)算，控制電路，人機(jī)接口等幾個(gè)部分組成的。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品。</p><p>　　

19、從目前溫度控制的產(chǎn)品現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)前景，技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，溫度控制課題是一個(gè)成熟的，有市場(chǎng)潛力的，有發(fā)展前途的研究項(xiàng)目。從技術(shù)角度來(lái)看，研究溫度控制課題能解決國(guó)內(nèi)在這方面的弱勢(shì)（大部分技術(shù)都是國(guó)外專利）。從服務(wù)市場(chǎng)的角度來(lái)看，能適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求。從學(xué)業(yè)的發(fā)展角度來(lái)看，本課題符合本專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化中的自動(dòng)化方向。自動(dòng)化中的控制原理是相關(guān)的，具有聯(lián)系性，此設(shè)計(jì)資料、思路、方法、步驟、部分設(shè)計(jì)可以運(yùn)用到其他自動(dòng)化

20、控制領(lǐng)域，對(duì)自身素質(zhì)有很好的提高。此外，本課題注重應(yīng)用，不僅要獨(dú)立完成許多理論設(shè)計(jì)，更需要大量的實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)，最后制造出成品，作為設(shè)計(jì)成果展示，符合學(xué)校的教學(xué)理念——培養(yǎng)應(yīng)用型人才。</p><p><b>　　1.3可行性分析</b></p><p>　　在導(dǎo)師的指導(dǎo)幫助下，已經(jīng)完成了資料查找、技術(shù)準(zhǔn)備、文獻(xiàn)綜述和外文翻譯等部分，較好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作

21、。通過(guò)與導(dǎo)師的反復(fù)論證，認(rèn)為在現(xiàn)有的條件下有能力完成本課題。下面從幾個(gè)方面論述：</p><p><b>　　知識(shí)水平</b></p><p>　　通過(guò)大學(xué)四年的學(xué)習(xí)，基本在掌握了機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在自動(dòng)控制方面具備了一定的設(shè)計(jì)、制造能力，其中大三完成了基于單片機(jī)的自動(dòng)化溫度采集顯示系統(tǒng)的理論方案?？梢哉f(shuō)本課題是在有一定基礎(chǔ)上開(kāi)展的。</p><

22、;p><b>　　硬件設(shè)備</b></p><p>　　由于本課題涉及到大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，需要加熱爐、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)量器和其他硬件電路設(shè)備，目前工程分院的實(shí)驗(yàn)室基本具備以上的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)使本課題從理論轉(zhuǎn)變成實(shí)際樣品。</p><p><b>　　技術(shù)經(jīng)驗(yàn)</b></p><p>　　本次課題研究是大學(xué)四年中

23、最重要的一次，因此全力以赴，發(fā)揮最大能力，保證課題的順利完成。在已經(jīng)完成的文獻(xiàn)綜述方面，應(yīng)用了新的資料搜集方法搜集到了大量的資料信息，準(zhǔn)備的充分、系統(tǒng)，資料數(shù)量大，范圍全面，內(nèi)容質(zhì)量高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，技術(shù)含量大，對(duì)課題研究將有重要的幫助，直接關(guān)系到課題成果的質(zhì)量。目前已經(jīng)完成了基于AT89C51和PT100鉑電阻等電子元器件的溫度控制電路圖設(shè)計(jì)，具備進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的條件。</p><p><b>　　資金條件&

24、lt;/b></p><p>　　大學(xué)四年中做了多份學(xué)生科研競(jìng)賽課題，深刻體會(huì)到學(xué)生科研受到資金不足的限制，多次因資金問(wèn)題導(dǎo)致最后成果不佳。因此本次課題設(shè)計(jì)把資金問(wèn)題做為重點(diǎn)，以現(xiàn)有的資金獲得最大的收獲。由于是畢業(yè)設(shè)計(jì)，得到了學(xué)校和老師的支持，目前部分資金已經(jīng)到位，可以開(kāi)展研究工作。</p><p>　　從知識(shí)水平、硬件設(shè)備、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、資金條件等方面來(lái)看，有能力獨(dú)立完成溫度控制系統(tǒng)的

25、設(shè)計(jì)和制作。</p><p>　　1.4國(guó)內(nèi)外溫度控制器的分析</p><p>　　大學(xué)四年中做了多份學(xué)生科研競(jìng)賽課題，深刻體會(huì)到學(xué)生科研受到資金不足的限制，多次因資金問(wèn)題導(dǎo)致最后成果不佳。因此本次課題設(shè)計(jì)把資金問(wèn)題做為重點(diǎn)，以現(xiàn)有的資金獲得最大的收獲。由于是畢業(yè)設(shè)計(jì)，得到了學(xué)校和老師的支持，目前部分資金已經(jīng)到位，可以開(kāi)展研究工作。</p><p>　　1.4.1

26、溫控產(chǎn)品的特點(diǎn)</p><p>　　瀏覽網(wǎng)頁(yè)，考察市場(chǎng)，詢問(wèn)專業(yè)人事后，了解到現(xiàn)在溫度控制產(chǎn)品有以下的特點(diǎn)：</p><p>　　多樣化：產(chǎn)品多樣化，功能、種類、型號(hào)眾多，適應(yīng)不同用戶、不同需求，可以說(shuō)是為了適應(yīng)市場(chǎng)，更好地服務(wù)客戶，客戶選擇的余地很大。從實(shí)現(xiàn)溫度控制成本的角度來(lái)看多樣化可以節(jié)省資金。</p><p>　　模塊化：將溫度控制器的各個(gè)部件都集成在一個(gè)單

27、元內(nèi)，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)形成了一個(gè)溫度控制模塊。用戶拿到的是一個(gè)外觀精美，使用的，有針對(duì)性的產(chǎn)品。集成在一個(gè)單元內(nèi)，有個(gè)外殼保護(hù)元件，在一定程度上避免了因碰撞，潮濕，灰塵等因素引起的故障，提高了使用的穩(wěn)定性和壽命。</p><p>　　系列化：公司根據(jù)不同的要求（價(jià)格、精度、體積等因素）設(shè)計(jì)了系列化的產(chǎn)品，用戶尋求使用和維護(hù)都很方便，對(duì)公司的銷售、管理也有利。系列化也是為了適應(yīng)市場(chǎng)要求。</p><

28、p>　　可以說(shuō)自動(dòng)化溫度控制產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟了，不過(guò)即使再成熟的產(chǎn)品，只要有市場(chǎng)需求，</p><p>　　就有生命力，不斷改進(jìn)，更新，創(chuàng)造更好的產(chǎn)品。自動(dòng)溫度控制在各個(gè)方面都有不可缺少的的作用，非常有市場(chǎng)前景。從市場(chǎng)前景展望，從事溫度控制領(lǐng)域研究具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。</p><p>　　下圖1-1是西門子公司的帶液晶顯示的房間溫度控制器，從兩個(gè)產(chǎn)品我們可以看出具有模塊化、系列化的特點(diǎn)。&

29、lt;/p><p><b>　　該產(chǎn)品典型應(yīng)用：</b></p><p>　　用于兩管制風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行供冷供熱的獨(dú)立房間溫度控制</p><p>　　用于采用DX 型裝置供冷的房間控制</p><p>　　用于開(kāi)關(guān)閥門和轉(zhuǎn)換三速風(fēng)機(jī)</p><p>　　適用于系統(tǒng)有下列功能</p><

30、;p><b>　　自動(dòng)冷/熱轉(zhuǎn)換</b></p><p><b>　　手動(dòng)冷/熱切換</b></p><p><b>　　連續(xù)供冷或供熱模式</b></p><p>　　1.4.2 國(guó)內(nèi)外溫控產(chǎn)品現(xiàn)狀</p><p>　　全球工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)近年增長(zhǎng)緩慢：</

31、p><p>　　因?yàn)闇囟瓤刂破鳝h(huán)節(jié)已經(jīng)被納入為分布式控制系統(tǒng)（DCS），個(gè)人電腦（PC）和可編程邏輯控制器（PLC）。工業(yè)電子溫度控制器全球市場(chǎng)的增長(zhǎng)率在2003年為3.6%， 2004年為3.5%，2005年為2.5 % 。預(yù)計(jì)2006年全球市場(chǎng)的增長(zhǎng)率僅為1.2% ，而預(yù)測(cè)2010年的綜合年度增長(zhǎng)率（CAGR）僅為0.7% 。</p><p>　　歐洲和北美工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)受到這一趨

32、勢(shì)的影響最大。這兩個(gè)較大地區(qū)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2010年出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。然而，亞太市場(chǎng)，較小的拉丁美洲和其他地區(qū)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)仍將保持增長(zhǎng)。</p><p>　　溫度控制器國(guó)內(nèi)項(xiàng)目市場(chǎng)分析：</p><p>　　中國(guó)作為一個(gè)主要的制造中心和工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)的崛起是這一增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素。OEM廠商以及眾多的終端工業(yè)廠商已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)移到中國(guó)大陸，以獲得低成本的勞動(dòng)力和原料優(yōu)勢(shì)。日本經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇同樣推動(dòng)該地

33、區(qū)走出了停滯發(fā)展時(shí)期。OEM廠家和主要終端工業(yè)公司將制造業(yè)務(wù)向中國(guó)的轉(zhuǎn)移，以及溫度控制器價(jià)格的下降，是歐洲和北美工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)預(yù)測(cè)下降的主要原因。此外，許多位于歐洲和北美的工業(yè)電子溫度控制器供應(yīng)商已經(jīng)表明一旦準(zhǔn)備充分，他們將很快在中國(guó)展開(kāi)他們的制造工業(yè)電子溫度控制器業(yè)務(wù)。通過(guò)在中國(guó)生產(chǎn)電子溫度控制器，供應(yīng)商不但可以獲得更便宜的勞動(dòng)力和原料的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且他們這樣更接近主要的發(fā)展市場(chǎng)。</p><p>　　

34、根據(jù)現(xiàn)有的資料分析如下：</p><p>　　1）、溫度控制器廣泛應(yīng)用于家用電器，主要為冰箱、冷柜、空調(diào)、飲水機(jī)、微波爐等制冷制熱產(chǎn)品配置。</p><p>　　2）、目前國(guó)內(nèi)溫度控制器生產(chǎn)企業(yè)較少，僅廣東、江蘇、遼寧、江西各有一家規(guī)模稍大一點(diǎn)的生產(chǎn)廠家，他們的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子溫度控制器市場(chǎng)的需求。</p><p>　　3）、溫度控制器不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售順暢

35、，而且在國(guó)際市場(chǎng)也十分看好，特別是日本、意大利、美國(guó)等國(guó)家對(duì)溫度控制器產(chǎn)品的需求量很大，出口前景十分樂(lè)觀。</p><p>　　4）、由于沿海發(fā)達(dá)地區(qū)產(chǎn)業(yè)的梯度轉(zhuǎn)移，科龍集團(tuán)已在南昌新建分廠，上海華意集團(tuán)也與江西簽訂了投資意向。</p><p><b>　　市場(chǎng)效益顯著：</b></p><p>　　只考慮生產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)，我大體估計(jì)了下溫度控制

36、器市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益：目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)每只溫度控制器11元，出口價(jià)每只2美元。年產(chǎn)500萬(wàn)只溫度控制器，年產(chǎn)值可達(dá)6000萬(wàn)元，年利潤(rùn)可達(dá)1500萬(wàn)元，投資回收期3.5年左右。</p><p><b>　　綜合分析可以看出：</b></p><p>　　1）溫度控制器全球的市場(chǎng)需求巨大，盡管增長(zhǎng)緩慢，但需求的絕對(duì)數(shù)量很大。</p><p>　　2）中國(guó)

37、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景良好，發(fā)展?jié)摿艽?，目前?guó)內(nèi)外廠商都看好中國(guó)市場(chǎng)。</p><p>　　3）控制生產(chǎn)成本，研究廉價(jià)的民用產(chǎn)品是一個(gè)很有前途的方向，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：中國(guó)人口眾多，空調(diào)需求量大，每個(gè)空調(diào)都需要一個(gè)或多個(gè)溫度控制器，溫度控制器的市場(chǎng)在空調(diào)產(chǎn)業(yè)上的用量就相當(dāng)大了。</p><p>　　4）科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，不斷研究新型的溫度控制器是處于領(lǐng)先地位的必須條件。</p>&

38、lt;p>　　1.4.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀總結(jié)</p><p>　　從目前溫度控制的產(chǎn)品現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)前景，技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，溫度控制課題是一個(gè)成熟的，有市場(chǎng)潛力的，有發(fā)展前途的研究項(xiàng)目。從技術(shù)角度來(lái)看，研究溫度控制課題能解決國(guó)內(nèi)在這方面的弱勢(shì)（大部分技術(shù)都是國(guó)外專利）。從服務(wù)市場(chǎng)的角度來(lái)看，能適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求。</p><p>　　1.5代表性設(shè)計(jì)案例分析</

39、p><p>　　在收集到的25份溫度控制設(shè)計(jì)中挑選典型的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)，積累溫度控制設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。這個(gè)部分很有針對(duì)性，能直接學(xué)習(xí)到相關(guān)的知識(shí)，是個(gè)參考借鑒過(guò)程。</p><p>　　案例：（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1-2）</p><p>　　題目：基于89C51單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　作者：耿方志 &

40、lt;/b></p><p>　　文獻(xiàn)來(lái)源：《現(xiàn)代電子工程》 2003年1期</p><p>　　摘要：介紹了以89C51單片機(jī)為核心的溫度控制器的設(shè)計(jì)，文章結(jié)合全國(guó)大學(xué)生電子制作競(jìng)賽的課題《水溫控制系統(tǒng)》，從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面作了較為詳盡的闡述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水溫控制系統(tǒng)PID控制、單片機(jī)、AD590 、ADC0809。</p>

41、<p><b>　　分析：</b></p><p>　　1）此設(shè)計(jì)質(zhì)量較高。理論上系統(tǒng)控制精度高：溫度控制設(shè)定范圍為40- 90 ℃，最小區(qū)分度為0.2 ℃，標(biāo)定溫差≤0.6 ℃，靜態(tài)誤差≤0.4℃。</p><p>　　2）設(shè)計(jì)合理科學(xué)，目標(biāo)明確，思路清晰，邏輯合理，使用了較先進(jìn)的改進(jìn)型PID控制算法。</p><p>　　3）

42、由于使用了PID控制算法，控制的精度相對(duì)其他簡(jiǎn)單控制算法的系統(tǒng)有了提高。為了實(shí)現(xiàn)較高精度控制，使用PID控制算法是一個(gè)方法。</p><p>　　4）加入了保護(hù)電路，越限報(bào)警等部分，是系統(tǒng)更加完善。</p><p>　　5）由于AD590測(cè)溫范圍：-55℃～+150℃，該系統(tǒng)的適合控制溫度不高的領(lǐng)域，適合民用，如水溫控制，室內(nèi)溫度控制。</p><p>　　6）該系

43、統(tǒng)在不同的條件下應(yīng)用需要修改參數(shù)，不能直接使用，否則控制精度難保證。</p><p>　　7）同樣是既有加熱器（熱電阻絲）又有冷卻器（電風(fēng)扇），有利于快速實(shí)現(xiàn)溫度的升降控制。</p><p>　　通過(guò)對(duì)以上兩份設(shè)計(jì)的分析學(xué)習(xí)，對(duì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。對(duì)各個(gè)部分的電路進(jìn)行了研究，懂得了工作機(jī)理，繪制了多張電路圖。學(xué)習(xí)和借鑒優(yōu)秀的設(shè)計(jì)對(duì)提高自身的設(shè)計(jì)水平有很大的幫助。</p&g

44、t;<p>　　第2章設(shè)計(jì)方案的選定</p><p>　　2.1溫控設(shè)計(jì)的方案</p><p>　　根據(jù)收集到的設(shè)計(jì)資料學(xué)生做溫度控制的設(shè)計(jì)幾乎都是以C51為控制核心，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)其他電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳感器選擇PT100、AD590、DS18B20等。顯示組件為L(zhǎng)ED或LCD。學(xué)生設(shè)計(jì)中使用PLC和DSP作為控制核心的開(kāi)發(fā)費(fèi)用要上千元，做溫度控制系統(tǒng)性價(jià)比低，使用很少，

45、所以PLC和DSP控制核心不作考慮。PLC和DSP在工業(yè)控制中特殊溫度控制的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，如大型糧庫(kù)的多點(diǎn)溫度控制。</p><p>　　對(duì)三十多份學(xué)生的溫度控制設(shè)計(jì)方案分析總結(jié)出：</p><p>　　控制處理器基本選擇在學(xué)校使用學(xué)習(xí)過(guò)的C51系列，降低技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。</p><p>　　電子元件選擇非高精度的通用型號(hào)，容易購(gòu)買，價(jià)格低廉。</p>

46、<p>　　系統(tǒng)功能單一，難以擴(kuò)展功能，開(kāi)發(fā)升級(jí)。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)費(fèi)用低廉，適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)要求。</p><p>　　2.2控制處理器的比較分析</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)前期的資料收集、技術(shù)準(zhǔn)備階段，本人完成了以AT89C51、AD590、ADC0809、LED為主要部件的溫度控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。送報(bào)導(dǎo)師審批后，導(dǎo)師建議以SPCE0

47、61A單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)全新的溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)目前搜集到的資料顯示，實(shí)現(xiàn)溫度控制的中央處理器有PC機(jī)、DSP、PLC、單片機(jī)、專用溫度控制器五大類別，下面舉例說(shuō)明五類處理器實(shí)現(xiàn)溫度控制的機(jī)理。</p><p><b>　　PC機(jī)</b></p><p>　　即個(gè)人計(jì)算機(jī)，功能強(qiáng)大，通常作為上位機(jī)，需要控制網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)等

48、其他硬件設(shè)備的支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)區(qū)域的溫度監(jiān)控，具有良好的人機(jī)操作界面，能管理溫度控制方面多個(gè)層面，如防火消防，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，特殊房間的溫度控制。適用于工廠、賓館大廈等大范圍的溫度控制。</p><p><b>　　DSP</b></p><p>　　基于DSP的溫度控制系統(tǒng)以高速DSP為核心，其片內(nèi)集成的豐富的控制外圍部件和電路,從而簡(jiǎn)化了電路的硬件設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)各種

49、控制算法和控制策略,并通過(guò)異步串行通信接口來(lái)讀取用戶所需要的數(shù)據(jù),便于用戶分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，可滿足對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求?？梢宰鳛樯衔粰C(jī)使用，控制若干個(gè)下位機(jī)，也可以單獨(dú)應(yīng)用于某一點(diǎn)的溫度。同樣需要網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)支持。通常運(yùn)用在生產(chǎn)線溫度控制，倉(cāng)庫(kù)的溫度控制等。</p><p><b>　　PLC</b

50、></p><p>　　以微處理為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)而開(kāi)發(fā)的新一代工業(yè)控制器－可編程控制器(簡(jiǎn)稱PLC)正在改變著生產(chǎn)過(guò)程控制的面貌。近二十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器以其可靠性極高，能經(jīng)受惡劣環(huán)境考驗(yàn)，使用非常方便的巨大優(yōu)越性，迅速占領(lǐng)工業(yè)自控制領(lǐng)域，成為工業(yè)自動(dòng)控制的首選產(chǎn)品，與機(jī)器人、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。微型可編程控制器由于體積小價(jià)格適中而且可靠性

51、高，非常適合當(dāng)前中小企業(yè)的設(shè)備改造、 以提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。</p><p><b>　　單片機(jī)</b></p><p>　　單片機(jī)是目前最為常用的控制處理器，以低廉的價(jià)格，完善的功能，廣泛適用于大部分控制領(lǐng)域。特別適合學(xué)生開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)（低成本、小規(guī)模、多方面、易上手、重基礎(chǔ)），幾乎所有的本科生在研究自動(dòng)化控制課題時(shí)候都選擇了單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的處理器。上面已經(jīng)

52、有很多單片機(jī)實(shí)際運(yùn)用于溫度控制的例子了，在此不重復(fù)展開(kāi)敘述了。本人的自動(dòng)化溫度控制也是基于單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，將在論文中詳細(xì)介紹各個(gè)部分。</p><p>　　2.3溫度傳感器的分析選擇</p><p>　　在溫度控制領(lǐng)域目前成熟的應(yīng)用的技術(shù)按傳感器類型分類有以下幾點(diǎn)：</p><p><b>　　機(jī)械式溫度控制器件</b></p&

53、gt;<p>　　機(jī)械式溫度控制器件，到達(dá)預(yù)定設(shè)置的溫度后開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，當(dāng)?shù)陀谝欢ǖ臏囟葧r(shí)又自動(dòng)開(kāi)啟，這種溫度控制通常是控制某一個(gè)定值，不具備可調(diào)性，控制的精度很低，響應(yīng)的時(shí)間也很長(zhǎng)，但成本低廉，應(yīng)用比較廣泛，多用于民用。如在電飯鍋上使用的是機(jī)械式的溫度控制器件。</p><p>　　熱電偶熱電阻溫度控制器</p><p>　　熱電偶熱電阻溫度控制器中以熱電偶、熱電阻作為溫度傳感

54、器，通過(guò)運(yùn)放、AD電路，將溫度物理量轉(zhuǎn)換成電壓等信號(hào)，傳送給處理器，處理器進(jìn)行比較分析，輸出控制信號(hào)給控制開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟或斷開(kāi)加熱、冷卻電路。這類傳感器應(yīng)用廣泛，控制溫度范圍和精度按需要選擇器件的型號(hào)。</p><p>　　如： AD590（見(jiàn)圖2-1）</p><p>　　AD590的測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。 </p><p>　　AD590的電源電壓范圍為4

55、V～30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 </p><p>　　輸出電阻為710MW。 </p><p>　　精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。</p><p&g

56、t;　　AD590測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合。由于AD590精度高、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。</p><p>　　對(duì)于其他型號(hào)將在以后傳感器章節(jié)敘述。具體也可以到網(wǎng)上輸入“傳感器型號(hào)”關(guān)鍵詞，尋找到。</p><p>　　數(shù)字式溫度傳感器控制器</p><p>

57、　　數(shù)字式傳感器內(nèi)集成了AD轉(zhuǎn)換單元，輸出的是數(shù)字量，不是模擬量了，方便使用，電路簡(jiǎn)化，程序相對(duì)減少了些。其特點(diǎn)：</p><p>　　（1）接口聯(lián)線簡(jiǎn)單，只需要數(shù)根接線</p><p>　　（2）在使用中不需要任何外圍元件。</p><p>　?。?）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍一般為+3.0~+5.5 V。</p><p>　?。?）測(cè)溫范

58、圍廣泛，固有測(cè)溫分辨率較高。</p><p>　?。?）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)按位的數(shù)字讀數(shù)方式。</p><p>　?。?）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。</p><p>　?。?）部分產(chǎn)品支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。</p><p>　?。?）部分產(chǎn)品具有負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不

59、能正常工作。</p><p>　　這種傳感器使用方便，應(yīng)用廣泛，但價(jià)格較其他類型的傳感器貴一點(diǎn)。</p><p>　　在此對(duì)溫度控制傳感器方面進(jìn)行展望。由發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，數(shù)字式溫度傳感器由于集成了AD轉(zhuǎn)換單元，受到設(shè)計(jì)人員的喜愛(ài)，數(shù)字式傳感器使用場(chǎng)合將更加廣泛，當(dāng)然其他兩種常用的傳感器件仍然有市場(chǎng)，短期內(nèi)不會(huì)被淘汰。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的測(cè)溫傳感技術(shù)不斷出現(xiàn)，如對(duì)熱源的紅外信號(hào)進(jìn)行

60、探測(cè)，通過(guò)紅外信號(hào)采樣與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，得出溫度的數(shù)值，這種方法可以避免了傳感設(shè)備和熱源的直接接觸，在許多特殊領(lǐng)域得到了應(yīng)用?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，將有更多的采集溫度信號(hào)的手段出現(xiàn)，溫度傳感器的種類將變的更加豐富。</p><p>　　本人在大三的時(shí)候選用過(guò)DS18B20、8051單片機(jī)等電子元件設(shè)計(jì)過(guò)溫度采集系統(tǒng)，對(duì)DS18B20有一定的使用經(jīng)驗(yàn)。但考慮到現(xiàn)有的條件，結(jié)合實(shí)際，決定選擇PT100鉑電阻作為溫度

61、傳感器，在第四章的PT100傳感器模塊中將詳細(xì)介紹。</p><p>　　2.4單片機(jī)與上位機(jī)PC通信分析</p><p>　　控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通常作為下位機(jī)使用，直接控制一部分的電子、機(jī)械器件動(dòng)作。隨著控制系統(tǒng)的復(fù)雜化，單片機(jī)的能力有限，必須使用更高級(jí)別的控制處理系統(tǒng)，有許多微處理器（包括PC、DSP、PLC、單片機(jī)）組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)硬件、通信協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)互相的通信，達(dá)到

62、配合，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作。在控制系統(tǒng)中處于高級(jí)別的控制器，稱為上位機(jī)，管理下級(jí)別的控制器，通常選擇PC機(jī)作為上位機(jī)。</p><p>　　在此對(duì)單片機(jī)與PC機(jī)的通信做個(gè)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，主要目的是為了使用PC機(jī)的模擬軟件和仿真板在正式制作電路板前調(diào)試程序和電路。</p><p>　　參考了《單片機(jī)&DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(cè)》（北京航空航天大學(xué)出版社）的第六章，《易懂的單片機(jī)入門》第32、3

63、3講，《PIC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教程》（北京航空航天大學(xué)出版社）第三部分，《單片機(jī)入門教程》中的仿真板部分等26份資料，歸納為以下三種方式：RS-232通信接口、RS-485通信接口、USB通信接口。三種方式都有相應(yīng)的硬件支持，專用的芯片，同時(shí)需要專門的通信協(xié)議。在此不具體展開(kāi)了，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)第四章的RS-232通信模塊部分。</p><p>　　2.5控制算法的分析</p><p>　　從實(shí)現(xiàn)溫

64、度控制的算法方面來(lái)看有以下幾點(diǎn)：</p><p><b>　　開(kāi)關(guān)式溫度控制</b></p><p>　　這種控制算法簡(jiǎn)單直接，輸入值與設(shè)定值進(jìn)行比較，程序相當(dāng)簡(jiǎn)單，按照差值控制加熱器進(jìn)行加熱或冷卻器進(jìn)行冷卻。此方法使用簡(jiǎn)單，但控制精度不高，一般用在精度要求低于+-0.5 ℃的溫度控制場(chǎng)合，適用與家用電器控制等，如空調(diào)的控制程序中的控制算法就是這原理。</p&g

65、t;<p>　　經(jīng)典PID控制算法控制（模糊理論）</p><p>　　這種算法以比例（P）、積分（I）、微分（D）函數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)大量是實(shí)驗(yàn)，確定需要的參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，編寫(xiě)程序來(lái)達(dá)到更好地控制精度，理論上控制精度可以達(dá)+-0.001℃。這種方法算法較復(fù)雜，編寫(xiě)程序中乘法指令較多，需要大量的實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)。因?yàn)樵谲浖矫娴母倪M(jìn)（改進(jìn)控制算法）提高了控制精度，所以此方法現(xiàn)在最常用。</p>

66、;<p><b>　　改進(jìn)型PID控制</b></p><p>　　改進(jìn)型PID控制也屬于PID控制。在能源、冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制占有重要的地位，而在許多溫度控制系統(tǒng)中，往往需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)溫度控制。過(guò)去類似恒溫器的溫度控制常常采用經(jīng)典PID控制方法。雖然實(shí)用方便，但參數(shù)整定困難，而且往往由于控制對(duì)象系統(tǒng)特性較差，具有高度的非線性、干擾大、慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在

67、很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在工業(yè)企業(yè)中，提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能，一直是控制人員和技術(shù)人員努力研究、力求解決的問(wèn)題。近年來(lái)，溫度控制方法有了很大的發(fā)展，準(zhǔn)二維模糊PID控制、變參數(shù)PID控制、智能比例控制、模糊控制等多種控制方法已經(jīng)成為溫度控制的主要發(fā)展方向。針對(duì)不同類型，不同特點(diǎn)的系統(tǒng)，每種控制方法都有其各自適應(yīng)的場(chǎng)合，為溫度控制系統(tǒng)性能的提高提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

68、</p><p>　　基于單神經(jīng)元的智能溫度控制</p><p>　　本部分參考了萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)中的《數(shù)字化期刊》的《基于單神經(jīng)元的智能溫度控制儀的研制》的文章。</p><p><b>　　閱讀文章后的理解：</b></p><p>　　1）基于單神經(jīng)元的智能溫度控制的核心也是一種控制算法，比較復(fù)雜，需要有數(shù)據(jù)庫(kù)支持，對(duì)硬

69、件系統(tǒng)有一定的要求。</p><p>　　2）該控制方法具有一定的“智能”（其實(shí)是設(shè)計(jì)者的智慧），具有比較學(xué)習(xí)修改參數(shù)的能力。</p><p>　　3）由于硬件到目前為止還沒(méi)有完善的成型的，該控制方案還停留在理論層面上，沒(méi)有一個(gè)成型的產(chǎn)品，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。</p><p>　　4）此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不是個(gè)人能完成的，需要多個(gè)學(xué)科多人共同完成，并且需要大量是實(shí)驗(yàn)器材。開(kāi)發(fā)此

70、控制系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性。</p><p>　　5）本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中不能應(yīng)用此控制算法。</p><p>　　6）在此提出作為溫度控制領(lǐng)域中控制算法的一個(gè)發(fā)展方向，屬于前沿科學(xué)。</p><p>　　對(duì)控制算法展望，可以預(yù)見(jiàn)通過(guò)設(shè)計(jì)者的不斷努力和技術(shù)的不斷發(fā)展，控制算法將更有利于控制精度的提高。程序?qū)⒏茖W(xué)，具有智能學(xué)習(xí)分析功能。</p><p>　

71、　本次設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，具體見(jiàn)第四章的PID控制算法部分。</p><p>　　2.6基于AT89C51和SPCE061A的方案對(duì)比分析</p><p>　　通過(guò)2.2控制處理器的比較分析的論述，本此設(shè)計(jì)選用了單片機(jī)作為控制處理核心。</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)前期的資料收集、技術(shù)準(zhǔn)備階段，本人設(shè)計(jì)了以AT89C51、AD59

72、0、ADC0809、LED為主要部件的溫度控制。送報(bào)導(dǎo)師審批后，導(dǎo)師建議以SPCE061A單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)全新的溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　為使用SPCE061A單片機(jī)，參考SPCE061A單片機(jī)生產(chǎn)商凌陽(yáng)公司提供的資料和其它學(xué)習(xí)資料，基本掌握了設(shè)計(jì)方法，完成了以SPCE061A為控制核心，PT100為傳感器，LED顯示，PWM控制（繼電器），四鍵輸入，上位機(jī)通訊接口等溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p

73、><p>　　在此對(duì)本人兩個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析下。以AT89C51為核心的設(shè)計(jì)為A方案，以SPCE061A為核心的設(shè)計(jì)為B方案。</p><p>　　A、B兩個(gè)方案都能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)：溫控范圍： 室溫 ～ 100℃溫度；靜態(tài)誤差： T<= 0.5 攝氏度；溫度超調(diào)量： T<= 0.5 攝氏度。</p><p><b>　　A方案的特點(diǎn)：</b

74、></p><p>　　設(shè)計(jì)方案成熟可靠，儲(chǔ)備有大量的參考資料。</p><p>　　控制核心是C51系列的單片機(jī)，單片機(jī)課程中學(xué)習(xí)使用過(guò)，有一定的基礎(chǔ)，能很快上手使用。</p><p>　　需要DC5V和DC12V兩中規(guī)格電源（部分零件需12V電源）。</p><p>　　AD590在60℃～70℃的線性度不夠理想，誤差較大。<

75、/p><p>　　使用C51系列仿真板進(jìn)行仿真調(diào)試。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用約為700元。</p><p><b>　　B方案的特點(diǎn)：</b></p><p>　　學(xué)生溫度控制設(shè)計(jì)中較少使用，資料缺少，是全新的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。</p><p>　　SPCE061A是16位的單片機(jī)，相對(duì)C51

76、系列的單片機(jī)而言性能有一定的提高。</p><p>　　SPCE061A內(nèi)部集成的模塊較多，適合電子消費(fèi)類產(chǎn)品使用，可簡(jiǎn)化外圍電路。</p><p>　　需要DC5V電源供電，整個(gè)控制系統(tǒng)使用3節(jié)五號(hào)電池就可以工作。</p><p>　　需要對(duì)SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)使用。</p><p>　　PT100在20℃～30℃的線性度不夠理想

77、，誤差較大。</p><p>　　使用凌陽(yáng)公司與SPCE061A配套的61仿真板進(jìn)行調(diào)試。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用約為300元。</p><p>　　聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，綜合考慮，聽(tīng)從導(dǎo)師指導(dǎo)，選擇了B方案，即以凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)為控制核心的設(shè)計(jì)方案。并在五月上旬完成了理論設(shè)計(jì)，電路調(diào)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的要求。</p

78、><p>　　第3章溫度控制系統(tǒng)總體介紹</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)名稱及要求</p><p>　　名稱：基于SPCE061A單片機(jī)的溫度采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　利用SPCE061A 單片機(jī)、PID控制算法，LED 鍵盤模組和溫度采集控制模組設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化溫度控制系統(tǒng)（以水溫為控制對(duì)象）。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。&l

79、t;/p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1. 熟悉凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)的工程應(yīng)用；</p><p>　　2. 溫度的實(shí)時(shí)采集顯示；</p><p>　　3. 對(duì)溫度的變化能夠做出及時(shí)的處理，應(yīng)用PID 調(diào)節(jié)；</p><p>　　4. 通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信（最遠(yuǎn)傳

80、輸距離為20米）；</p><p>　　5. 整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用控制再300元內(nèi)，體現(xiàn)性價(jià)比；</p><p>　　6. 系統(tǒng)控制部分使用低電壓供電，方便攜帶和戶外使用；</p><p>　　7. 使用PROTEL繪制系統(tǒng)原理圖；</p><p>　　8. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留擴(kuò)展功能，方便開(kāi)發(fā)升級(jí)；</p><p>　　9.

81、 使用凌陽(yáng)公司的061實(shí)驗(yàn)板仿真調(diào)試電路；</p><p>　　10. 硬件可以重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)多功能。</p><p>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　1. 控制電路采用DC5V 供電；</p><p>　　2. 加熱部分采用AC220V--1KW 電熱器(容量為1L)加熱；</p><p>　　3. 溫

82、控范圍：室溫 ～ 100℃；</p><p>　　4. 溫度控制指標(biāo)：溫度靜態(tài)誤差： T<= 0.5 攝氏度；</p><p>　　5. 溫度超調(diào)量： T<= 0.5 攝氏度。</p><p>　　3.3系統(tǒng)整體框架說(shuō)明</p><p>　　系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)如圖3-1，分為單片機(jī)SPCE061A控制核心模塊、LED顯示模塊、1*

83、4鍵盤模塊、PT100傳感器模塊、RS-232通信模塊、繼電器開(kāi)關(guān)控制模塊六個(gè)模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)SPCE061A控制模塊為核心，前向通道包括傳感器及其信號(hào)放大電路模塊，1*4鍵盤輸入模塊；后向通道包括三部分：LED 顯示電路，RS-232上位機(jī)通信模塊以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路。由于SPCE061A 內(nèi)部有8 路10 位精度的AD 轉(zhuǎn)換器，所以直接將傳感器輸出信號(hào)放大后輸入SPCE061A 的AD 轉(zhuǎn)換通道即可，不需要外接A

84、DC。</p><p>　　水溫通過(guò)PT100傳感器模塊采集、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)兩級(jí)信號(hào)放大器放大后傳送給單片機(jī)SPCE061A控制核心模塊，在控制核心模塊中，按照編寫(xiě)的程序，使用PID控制算法進(jìn)行比較分析后，分別給LED顯示模塊和繼電器控制開(kāi)關(guān)模塊發(fā)出相應(yīng)的指令，來(lái)顯示和控制電熱器開(kāi)關(guān)加熱。如果有必要，將采集的溫度信號(hào)通過(guò)RS-232通信模塊傳送給上位機(jī)PC，用分析研究溫度變化。</p><

85、p>　　第4章 各部分電路模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明</p><p>　　本系統(tǒng)采用SPCE061A 單片機(jī)作為主控制器，采用LED 鍵盤模組作為輸入和顯示單元，使用PWM控制模組控制加熱器開(kāi)關(guān)，下面簡(jiǎn)單介紹設(shè)計(jì)中將會(huì)用到的模組：</p><p>　　4.1單片機(jī)SPCE061A 模塊簡(jiǎn)介</p><p>　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)準(zhǔn)備，再三考慮，最終選擇了SPCE061A單片機(jī)

86、作為控制核心，見(jiàn)圖4-1。SPCE061A 是凌陽(yáng)科技研發(fā)生產(chǎn)的性價(jià)比很高的一款十六位單片機(jī)，使用它可以非常方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，包括基本的加減運(yùn)算和復(fù)雜的乘積運(yùn)算處理，該芯片擁有8 路10 位精度的ADC，其中一路為音頻轉(zhuǎn)換通道，另外7 路可作為普通的AD 轉(zhuǎn)換通道。另外凌陽(yáng)十六位單片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C 語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)C 語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用，并且，提供了語(yǔ)音錄放的庫(kù)

87、函數(shù)，只要了解庫(kù)函數(shù)的使用，就會(huì)很容易完成語(yǔ)音錄放，這些都為軟件開(kāi)發(fā)提供了方便的條件。SPCE061A 片內(nèi)還集成了一個(gè)ICE（在線仿真電路）接口，使得對(duì)該芯片的編程、仿真都變得非常方便，而ICE 接口不占用芯片上的硬件資源，結(jié)合凌陽(yáng)科技提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μ’nSP IDE）用戶可以利用它對(duì)芯片進(jìn)行真實(shí)的仿真；而程序的下載（燒寫(xiě)）也是通過(guò)該接口進(jìn)行下載。</p><p>　　SPCE061A 性能特點(diǎn)：<

88、/p><p>　　16 位μ’nSP 微處理器</p><p>　　工作電壓（CPU）VDD 為3.0~3.6V，（I/O）VDDH 為3.0~5.5V</p><p>　　CPU 時(shí)鐘：0.32~49.152MHz</p><p>　　內(nèi)置2K 字SRAM</p><p>　　內(nèi)置32K 字FLASH</p>

89、<p><b>　　可編程音頻處理</b></p><p><b>　　晶體振蕩器</b></p><p>　　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/3.6V</p><p>　　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）</p><p>　　2 個(gè)1

90、0 位DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）輸出通道</p><p>　　32 位通用可編程輸入/輸出通道</p><p>　　14 個(gè)中斷源可來(lái)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</p><p><b>　　具備觸鍵喚醒的功能</b></p><p>　　使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S480 可以播放壓縮的語(yǔ)音資源<

91、/p><p>　　鎖相環(huán)PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)</p><p>　　32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p><b>　　

92、具備串行設(shè)備接口</b></p><p>　　具備低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測(cè)功能</p><p>　　內(nèi)置在線仿真電路接口</p><p>　　具有WatchDog 功能</p><p>　　SPCE061A單片機(jī)功能強(qiáng)大，能滿足多個(gè)方面的應(yīng)用，同時(shí)集成了許多電路模塊，減化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p>&

93、lt;p>　　通過(guò)與導(dǎo)師的反復(fù)論證，和對(duì)凌陽(yáng)系列的產(chǎn)品評(píng)估，認(rèn)為該方案能夠很好的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。所有參數(shù)性能都能達(dá)到要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。</p><p>　　目前的學(xué)生自動(dòng)化溫度控制設(shè)計(jì)幾乎都使用的C51系列的單片機(jī)作為控制處理器，一切的開(kāi)發(fā)都基于C51單片機(jī)的特點(diǎn)。雖然本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)前期工作已經(jīng)基于AT89C51完成了理論論證、電路的基本設(shè)計(jì)、元器件的選型等工作，但是考慮到繼續(xù)按照此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)沒(méi)

94、有創(chuàng)意，所以決定選擇新的道路，使用凌陽(yáng)單片機(jī)，各個(gè)方面是在凌陽(yáng)單片機(jī)的核心的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。</p><p>　　如果用C51系列的單片機(jī)，雖然產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，但對(duì)于學(xué)生科研課題這中單批量、小規(guī)模的采購(gòu)，采購(gòu)價(jià)格會(huì)稍微高點(diǎn)的，根據(jù)其他學(xué)生的制作成本來(lái)看至少需要500元（不包括仿板）。如果使用凌陽(yáng)系列的單片機(jī)，并從凌陽(yáng)購(gòu)買相關(guān)器件（學(xué)生特價(jià)為210元），全部的成本約300元（包括打印材料耗材、仿真軟件、教材書(shū)籍）。由于

95、購(gòu)買凌陽(yáng)產(chǎn)品的同時(shí)能夠獲得很多專業(yè)的書(shū)籍資料，相對(duì)而言性價(jià)比就高的多了，不僅僅是節(jié)省了200元的問(wèn)題。</p><p>　　由于與凌陽(yáng)系列配套的61板具有多功能，使用此實(shí)驗(yàn)板可以進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，不僅僅是溫度控制，相關(guān)的單片機(jī)自動(dòng)化控制都能完成?；?1板的功能強(qiáng)大，完成本次課題實(shí)驗(yàn)后還可以改為其他用途，不但經(jīng)濟(jì)省錢，重復(fù)利用，而且可以作為實(shí)驗(yàn)板完成其他實(shí)驗(yàn)。這相對(duì)與傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)思路有所改進(jìn)。</p>

96、<p>　　在開(kāi)展課題研究前，結(jié)合61實(shí)驗(yàn)板往SPCE061A單片機(jī)內(nèi)燒錄了“語(yǔ)音報(bào)時(shí)電子萬(wàn)年歷”和“復(fù)讀機(jī)”程序，進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。</p><p>　　凌陽(yáng)系列的單片機(jī)相對(duì)C51系列的單片機(jī)，在某些特殊領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，如電子消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域，特別適合民用，具有一定的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。集成的電路模塊比較多，簡(jiǎn)化了外圍電路，簡(jiǎn)化了工作量，如集成了10位的AD和DA、語(yǔ)音系統(tǒng)、看門狗電路、USB/

97、UART。在運(yùn)算處理速度上面也比較可觀，基本上各個(gè)參數(shù)都超過(guò)了C51系列，甚至具備了部分DSP的功能（乘法運(yùn)算）。</p><p>　　4.2SPCE061A 精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介</p><p>　　SPCE061A 精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板（簡(jiǎn)稱61 板），是以凌陽(yáng)16 位單片機(jī)SPCE061A 為核心的精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)－仿真－實(shí)驗(yàn)板（見(jiàn)圖4-2），大小相當(dāng)于一張撲克牌，是“凌陽(yáng)科技大學(xué)計(jì)劃”專為大學(xué)生、電子愛(ài)

98、好者等進(jìn)行電子實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子制作及電子競(jìng)賽所設(shè)計(jì)的，也可作為單片機(jī)項(xiàng)目初期研發(fā)使用。61 板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含MIC 輸入部分和DAC 音頻輸出部分）、復(fù)位電路等，采用電池供電，方便學(xué)生隨身攜帶，使學(xué)生在掌握軟件的同時(shí)，熟悉單片機(jī)硬件的設(shè)計(jì)制作，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，也為單片機(jī)學(xué)習(xí)者和開(kāi)發(fā)者創(chuàng)造了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)條件和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)！61 板上有調(diào)試器接口（Probe 接口）以及下

99、載線（EZ_Probe）接口，分別可接凌陽(yáng)科技的在線調(diào)試器、簡(jiǎn)易下載線，配合unSP IDE，可方便地在板上實(shí)現(xiàn)程序的下載、在線仿真調(diào)試。</p><p>　　61 板上的主要功能如下：</p><p>　　SPCE061A 單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路模塊；</p><p><b>　　電源輸入模塊；</b></p><p>

100、;　　音頻電路（包含MIC 輸入、DAC 音頻功放輸出）模塊；</p><p><b>　　按鍵模塊；</b></p><p><b>　　I/O 端口模塊；</b></p><p><b>　　調(diào)試、下載接口模塊</b></p><p>　　下圖為61 板的實(shí)物圖：</

101、p><p>　　4.3鍵盤顯示模塊</p><p>　　溫度自動(dòng)化控制系統(tǒng)預(yù)置信息的輸入和采集信息的顯示采用配套的LED 鍵盤模組來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模組具有6 位的數(shù)碼管顯示，顯示范圍大，可實(shí)現(xiàn)-99999~999999 范圍顯示，采用動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)節(jié)約端口資源；另有8 位的LED 顯示可作為指示燈使用；具有8 個(gè)按鍵輸入，可作為獨(dú)立的8 按鍵輸入，也可作為2*4 的陣列鍵盤使用（實(shí)際中使用了其中的1

102、*4部分）；同時(shí)為了調(diào)試的方便模組還配置了一路的模擬電壓信號(hào)發(fā)生器，可以十分方便的實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換調(diào)試。</p><p>　　該模組主要包括：4 位8 段數(shù)碼管和2 位8 段數(shù)碼管，8 個(gè)LED 發(fā)光二極管，8 個(gè)按鍵以及段碼接口SEG，位碼接口DIG，按鍵接口1*8KEY 和2*4KEY。</p><p><b>　　基本特性與主要功能</b></p>

103、<p>　　LED 鍵盤模組采用DC5V 供電，也可采用DC3.3V 供電；</p><p>　　擴(kuò)展了6 位8 段數(shù)碼管，顯示范圍為-99999~999999；</p><p>　　8 個(gè)發(fā)光二極管，可作為顯示狀態(tài)信息使用；</p><p>　　8 個(gè)按鍵，可以組成1*8KEY 也可組成2*4KEY（使用1*4部分）；</p><p&

104、gt;　　一路模擬電壓信號(hào)發(fā)生器，可以提供0~5V 或者0~3.3V 的模擬電壓信號(hào)；</p><p>　　鍵盤LED 模組接口簡(jiǎn)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)。擴(kuò)展及外部連接極為方便。其原理電路圖見(jiàn)圖4-3。</p><p>　　LED模組使用十分簡(jiǎn)單，直接用排線與61板 I/O接口相連接即可。</p><p>　　1. KEYTYPE選擇：<

105、/p><p>　　如圖原理圖所示的KEYTYPE，選擇不同的跳線模式可以選擇1*8 獨(dú)立按鍵或者選擇2*4KEY 陣列式按鍵。</p><p>　　1*8KEY 按鍵的實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　如圖4-3原理圖所示,只需ROW1 和ROW2 短接即可實(shí)現(xiàn)1*8 獨(dú)立按鍵。其中COL1~COL8 分別對(duì)應(yīng)K1~K8按鍵信號(hào)輸出。在使用時(shí)注意ROW1 和ROW2 短接之后

106、，1*8 按鍵的公共端是懸空的，所以必須把公共端接地或者接電源VCC（視程序設(shè)計(jì)不同而定）。本系統(tǒng)采用的是1*4獨(dú)立按鍵，如圖4-4所示，采用1*8鍵的前四位。</p><p>　　2*4KEY 按鍵的實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　如圖4-3的原理圖所示，分別將COL1-COL5、COL2-COL6、COL3-COL7、COL4-COL8 一一短接，作為陣列式鍵盤的列輸入，ROW1 和ROW

107、2 獨(dú)立作為陣列式鍵盤的行輸入即可。</p><p>　　設(shè)計(jì)中采用了1*8KEY 按鍵中的前四個(gè)鍵，后四個(gè)鍵盤未定義，留做擴(kuò)展功能。</p><p>　　2. LED 接口：</p><p>　　LED 數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，分別定義動(dòng)態(tài)掃描的段碼信號(hào)SEG 和位碼信號(hào)DIG，通過(guò)不同的段碼和位碼組合實(shí)現(xiàn)不同的顯示信息。</p><p>

108、<b>　　SEG 接口：</b></p><p>　　A~G、DP 是6 位數(shù)碼管L1~L6 的段信號(hào)和8 個(gè)LED 指示燈的陽(yáng)極控制信號(hào)輸入端?？刂菩盘?hào)為高有效。</p><p><b>　　DIG 接口：</b></p><p>　　6 位數(shù)碼管L1~L6 的公共極（陰極）和8 個(gè)LED 的公共極（陰極）分別用DIG

109、 接口的DIG1~DIG7 控制，第4 位數(shù)碼管后時(shí)鐘冒號(hào)D_DP（見(jiàn)圖4-3原理圖）的位信號(hào)用DIG8 控制，位信號(hào)DIG 也是高有效。</p><p>　　4.4 傳感器PT100 簡(jiǎn)介</p><p>　　傳感器采用鉑電阻PT100。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0—100 攝氏度之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5 攝氏

110、度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系為：</p><p>　?。?）-200℃<t<0℃時(shí)，RPt100=100*[1+At+B*t2+C*t3*(t?100)]</p><p>　?。?）0℃≤t≤850℃時(shí)，RPt100=100*(1+At+B*t2 )</p><p>　　式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000

111、042735?？梢?jiàn)PT100 在常溫0~100 攝氏度之間變化時(shí)限性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：RPt=100（1+At），當(dāng)溫度變化1攝氏度，PT100阻值近似變化0.39 歐。（問(wèn)題：按表中的數(shù)據(jù)0—100度的時(shí)候應(yīng)該很準(zhǔn)確的，為什么在低于30度的時(shí)候出現(xiàn)了10度的偏差）（在20到30度的電阻值中差值很不穩(wěn)定導(dǎo)致測(cè)量精度不準(zhǔn)確）Pt100 溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　　測(cè)量范圍：

112、-200℃～+850℃；</p><p>　　允許偏差值△℃：A 級(jí)±（0.15＋0.002│t│）， B 級(jí)±（0.30＋0.005│t│）；</p><p>　　熱響應(yīng)時(shí)間 < 30s；</p><p>　　最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；</p><p>　　允通電流 ≤ 5mA。</p&

113、gt;<p>　　另外，Pt100 溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　下表4-1為PT100 的分度表（0℃~100℃）</p><p>　　測(cè)量電路采用H橋電路，H橋電路能夠很好的抑制溫度漂移影響，同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)的波動(dòng)也能起到很好的抑制，H橋供電采用三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管TL431，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5V 直流電壓基準(zhǔn)。為了使