1、應(yīng)用方案系統(tǒng)SPCE061A 應(yīng)用方案 V2.0 2006.09.15 億學(xué)通電子海淀上地十街輝煌國(guó)際5號(hào)樓804ht: 86-10-62669059目錄1引言22設(shè)計(jì)要求32.12.2設(shè)計(jì)題目3技術(shù)指標(biāo)33模塊特性簡(jiǎn)介43.13.2SPCE061A簡(jiǎn)介4PT100 溫度傳感器簡(jiǎn)介54系統(tǒng)總體方案介紹75系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.4傳感器電路8按鍵和顯示電路8功率驅(qū)動(dòng)電路模塊9UART轉(zhuǎn)換模塊電路106設(shè)計(jì)11總體設(shè)計(jì)11子程序設(shè)計(jì)12溫度轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)12控制的實(shí)現(xiàn)13溫度控制算法設(shè)計(jì)15溫度控制實(shí)現(xiàn)16上下位機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)17系統(tǒng)..36.2.46

2、.2.57結(jié)語(yǔ)228參考文獻(xiàn)23SPCE061A 在系統(tǒng)的應(yīng)用科技教育推廣中心摘要：本方案利用 SPCE061A 集成的 ADC 直接將到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，在數(shù)據(jù)處理方面采用 16 次平滑濾波；在控制方面采用數(shù)字控制方案；在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時(shí)將當(dāng)前的溫度結(jié)果直接通過(guò)串口傳送至上位 PC，可以直接在 PC 端觀察溫度的變化曲線，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理。本設(shè)計(jì)方案綜合應(yīng)用了 SPCE061A 的 A/D、Timer、TimeBase、UART 等眾多資源，發(fā)揮了 SPCE061A 的優(yōu)異性能。：SPCE061A；UART；溫度控制；Pt100；數(shù)字濾波；:

3、HYPERLINK mailto:fae_ f a e _ 6 1 m c u 1 6 3 . c o m 1引言信號(hào)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)也是最終衡量系統(tǒng)控制性能的重要依據(jù)。在一個(gè)完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先要檢測(cè)被控對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)，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，并能夠?qū)⒌降臄?shù)據(jù)還原為實(shí)際的狀態(tài)信息，并以此作為控制的出發(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)并與設(shè)置的目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比才能了解控制過(guò)程的好壞。所以說(shuō)信號(hào)來(lái)衡量，只有在系統(tǒng)控制中起著當(dāng)前的狀態(tài)信息，的作用。本設(shè)計(jì)以水溫控制系統(tǒng)為載體，利用 SPCE061A 自帶的 10

4、 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，結(jié)合 Pt100 傳感器完成對(duì)水溫的采樣，通過(guò)數(shù)字濾波等技術(shù)消除系統(tǒng)的干擾運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。還原當(dāng)前的溫度值，并且對(duì)到的溫度值進(jìn)行2 ht2設(shè)計(jì)要求2.1設(shè)計(jì)題目利用 SPCE061A 單片機(jī)、LED 鍵盤模組和 UART 模組設(shè)計(jì)一個(gè)體），基本要求如下：系統(tǒng)（以水溫控制系統(tǒng)為載1.2.3.溫度的實(shí)時(shí)顯示；對(duì)溫度的變化能夠做出及時(shí)的處理，最好能夠應(yīng)用調(diào)節(jié)；通過(guò) UART 實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信，并在上位機(jī)上顯示溫度的變化曲線。2.2技術(shù)指標(biāo)1.2.3.單片機(jī)部分采用 DC5V 供電；加熱部分采用 1KW 電熱器(容量為 2L)加熱；溫度控制指標(biāo)靜態(tài)誤差：分辨率：超調(diào)量

5、：T= 0.5 攝氏度；0.1 攝氏度；T= 0.5 攝氏度。3 3模塊特性簡(jiǎn)介本系統(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 模組將到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)，下面介紹將會(huì)用到的主要器件：3.1SPCE061A 簡(jiǎn)介SPCE061A 是科技研發(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)雜的擁有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路為十六位單片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的數(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。另外一套指令系統(tǒng)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)

6、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)言與匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用，并且，提供了語(yǔ)音錄放的庫(kù)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，這些都為開(kāi)發(fā)提供了方便的條件：SPCE061內(nèi)還集成了一個(gè) ICE（仿真電路）接口，使得對(duì)該的編程、仿真都變得非常方便，而 ICE 接口不占用上的硬件資源，結(jié)合科技提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（nSE）用戶可以利用它對(duì)進(jìn)行真實(shí)的仿真；而程序的（燒寫）也是通過(guò)該接口進(jìn)行。下圖為 SPCE061A 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖：雙16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器ICE_EN16 位微控制器 unSPTM+ICEFLASH時(shí)基中斷控制ICE_SCKRAMICE_SDAVCPXI/R

7、XOCPU 時(shí)鐘7通道10位ADC單通道ADC+AGCMIC_IN鎖相環(huán)振蕩器實(shí)時(shí)時(shí)鐘低電壓監(jiān)測(cè)/AUD1雙通道10位DAC低電壓復(fù)位 WatchdogAUD2串行異步通訊接口串行輸入輸出接口IOB7（RXD）IOB10（TXD）IOB0 (SCK)IOB1(SDA)32 管腳通用輸入輸出端口IOA15 - 0IOB15 - 0圖 3.1 SPCE061A結(jié)構(gòu)圖SPCE061A 性能簡(jiǎn)介：16 位nSP 微處理器工作電壓（CPU）VDD 為 3.03.6V，（I/O）VDDH 為 3.05.5V CPU 時(shí)鐘：0.3249.152MHz4 內(nèi)置 2K 字 SRAM內(nèi)置 32K 字 FLASH可

8、編程音頻處理晶體振蕩器系統(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 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32 位通用可編程輸入/輸出通道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)鐘源輸入和鍵喚醒具備觸鍵喚醒的功能使用音頻編碼 SACM_S480 可以壓縮的語(yǔ)音資源鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘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）功能具備串行設(shè)備接口具備低電壓復(fù)

9、位功能和低電壓檢測(cè)功能內(nèi)置仿真電路接口具有 WatchDog 功能3.2Pt100 溫度傳感器簡(jiǎn)介Pt100 溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200+850；允許偏差值：A 級(jí)（0.150.002t）， B 級(jí)（0.300.005t）；熱響應(yīng)時(shí)間 30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm；允通電流 5mA。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)。鉑熱電阻的線性較好，在 0100 攝氏度之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：（1）-200tSetPo*10 NextPo;/ 偏

10、差，設(shè)定值減去當(dāng)前采樣值pp-SumError += Error;/ 積分，歷史偏差累加dError = Errorpp-LastError;/ 當(dāng)前微分，偏差相減pp-PrevError = pp-LastError;/ 保存typedef structfloatSetPo;/ 設(shè)定目標(biāo) Desired ValuefloatProportion;/ 比例系數(shù) Proportional Constfloategral;/ 積分系數(shù)egral ConstfloatDerivative;/ 微分系數(shù) Derivative ConstntLastError;/ 上次偏差SumError;/ 歷史誤差

11、累計(jì)值;DD;/ 定義一個(gè) st變量在實(shí)際運(yùn)算時(shí)，由于水具有很大的熱慣性，而且運(yùn)算中的 I（積分項(xiàng)）具有非常明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，須把積分項(xiàng)去掉，相反D（微分項(xiàng)）則有很強(qiáng)的預(yù)見(jiàn)性，能夠加快反應(yīng)速度，抑制超調(diào)量，所以積分作用應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)才能達(dá)到較佳的控制效果，系統(tǒng)最終選擇 PD 控制方案，下面 C 代碼所示為 PD 控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：6.2.4溫度控制實(shí)現(xiàn)通過(guò)溫度的運(yùn)算，產(chǎn)生結(jié)果 fOut，該參數(shù)決定是否加熱，加熱時(shí)間是多長(zhǎng)。該程序如下：加熱時(shí)間由主函數(shù)計(jì)算，由 TimerB 中斷控制。主程序中通過(guò)Calc 函數(shù)得到 fOut 參數(shù)，如果該參數(shù)大于“0”，則開(kāi)啟加熱器。IRQ2_TMB 中斷

12、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。如果Calc 計(jì)算結(jié)果比較大說(shuō)明離目標(biāo)溫度相差較大，則加熱時(shí)間比較長(zhǎng)，如果計(jì)算結(jié)果比較小，說(shuō)明離目標(biāo)溫度相差較小，加熱時(shí)間相對(duì)較短。16 st.Proportion = 2;/設(shè)置比例值segral= 0;/設(shè)置積分值s.Derivative = 5;/設(shè)置微分值fOut =Calc ( &st,()(fT*10) );/計(jì)算if(fOutSetPo*10 NextPo;/ 偏差，設(shè)定值減去當(dāng)前采樣值dError = Errorpp-LastError;/ 當(dāng)前微分，偏差相減pp-Pr

13、evError = pp-LastError;/ 保存pp-LastError = Error;return (pp-Proportion * Error/ 比例項(xiàng)pp-Derivative * dError/ 微分項(xiàng));pp-LastError = Error;+pp-egral * pp-SumError/ 積分項(xiàng)pp-Derivative * dError/ 微分項(xiàng));6.2.5上下位機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)：通信采用 UART 接口實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)的 UART 通信代碼包含 UART 初始化和 UART 發(fā)送兩部分。下面所示代碼為 UART 初始化部分：UART 發(fā)送子程序：UART

14、 發(fā)送每隔 1s 執(zhí)行一次，以數(shù)據(jù)包格式發(fā)送：楨頭（0 xaa）、楨尾（0 x55），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。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)：上位機(jī)接收采用 VC 可視化編程設(shè)計(jì)，上位機(jī)接收部分程序分為初始化和接收兩部分，下面是對(duì)接收端口的初始化程序：17 HYPERLINK mailto:fae_ f a e _ 6 1 m c u 1 6 3 . c o m void CTempViewDlg:OnButtonConect()longSComFreq; UpdateDarue);Select =Select.GetCurSel(); m_iFreqS

15、elect = m_Ctrl_FreqSelect.GetCurSel(); swit _iFreqSelect)case 0: SComFreq = 4800;/設(shè)置波特率 break;case 1: SComFreq = 9600;void Send_temperature(void)*P_UART_Data = 0 xaa;/楨頭 while(*mand2&0 x0040)=0); /Wait*P_UART_Data = ()fT;/整數(shù)部分 while(*mand2&0 x0040)=0);*P_UART_Data = guiLED_Value2;/小數(shù)部分 while(*mand2&

16、0 x0040)=0);*P_UART_Data = 0 x55;/楨尾r1 = 0 x0000/設(shè)置波特率 9600bpsP_UART_BaudScalarLow = r1 r1 = 0 x0005P_UART_BaudScalarHigh = r1 r1 = 0 x0000r4 = 0 x00C0/使能輸入和輸出mand1 = r1mand2 = r4以下為數(shù)據(jù)接收部分代碼：接收完數(shù)據(jù)首先判斷楨頭和楨尾是否正確，如果楨頭和楨尾是正確的，則將接收到的中間數(shù)據(jù)還原為溫度值并傳送給繪圖程序，如果接收到的楨頭和楨尾數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，則不進(jìn)行處理。18 HYPERLINK mailto:fae_ f a

17、 e _ 6 1 m c u 1 6 3 . c o m if(mEvent()=2)/事件值為 2 表示接收緩沖區(qū)內(nèi)有字符Buffer_len =.GetInBufferCount();vResponse =.GetInput();ucReciver = (unsigned char *)(vResponse.parray-pvData); whiuffer_len)for(i=0;i3;i+)break;case 2: SComFreq = 19200; break;case 3: SComFreq = 38400; break;case 4: SComFreq = 57600; brea

18、k;case 5: SComFreq = 115200; break;default:break;if(.GetPortOpen()/選擇并打開(kāi)通信端口.SetPortOpen(FALSE); mPort(Select+1);if(.GetPortOpen().SetPortOpen(TRUE);elseAfxMessageBox(cannot open serial port);.SetSettings(9600,n,8,1);.SetRThreshold(1);/設(shè)置多少個(gè)接受數(shù)據(jù)觸發(fā)一個(gè)串口事件.SetInputMode(1);/串行口傳輸數(shù)據(jù)格式.SetInputLen(0);/清除緩

19、沖區(qū)中的數(shù)據(jù)！.GetInput();繪圖界面設(shè)計(jì)：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 6.7 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。完成以上操作，點(diǎn)擊連接即可。圖 6.7 繪圖部分界面參數(shù)的整定：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)由的不穩(wěn)定。積分（I）控制的作用，只要系統(tǒng)有偏差存在，積分作用不斷地積累，輸出控制量以消除誤差；19 RS_Buffi = RS_Buffi+1;RS_Buff3 = *ucReciver; ucReciver+;Buffer_len-;if(RS_Buff0=0 xa

20、a&RS_Buff3=0 x55)/數(shù)據(jù)包的幀頭和幀尾都對(duì)上？Temperature = RS_Buff1*10+RS_Buff2;/還原溫度值 m_Scroll_Map.SetScrollPo(Temperature);break;積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分（D）控制可以減調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。想要達(dá)到的目標(biāo)就是：反應(yīng)速度盡可能快，超調(diào)量盡可能的小，穩(wěn)態(tài)誤差趨近于 0。下面是不同的參數(shù)的測(cè)量曲線：1. KP =1.5、KD =1.0（大，造成超調(diào)量過(guò)大。：2040）對(duì)應(yīng)的曲線如圖 6.8 所示，由圖形可以看出來(lái)，由于KP 過(guò)圖 6.8 加熱曲線一2. KP =1.2、KD =1.0（：4060）對(duì)應(yīng)的曲線如圖 6.9 所示，由圖形可以看出來(lái)，由于KP 過(guò)小，系統(tǒng)的快速性不