毕业设计单片机的温度采集及控制系统设计.doc

毕业设计（论文）题 目 基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计 姓 名 学 号 专业班级 所在学院 工程学院 指导教师（职称） 二七 年 六 月 一 日基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计【摘 要】 单片机温度测控系统以其体积小，可靠性高而在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用广泛采用。本设计采用凌阳公司生产的SPCE061A 16 位单片机作为控制核心微控制器采集控制水温。PT100铂电阻传感器、LM358 集成运算放大器和10位高精度AD（单片机内集成）等电子元件完成温度采集传送；LED数码管显示和1*4键盘进行参数的显示和输入，实现自动检测显示。控制部分采用PID算法,实时更新PWM控制输出参数,控制继电器的通断时间,最终实现对水温的高精度控制。【关键词】 SPCE061A单片机、PT100铂电阻传感器、PID控制算法。Design of Temperature Sampling and Control System based on SPCE061A MCU【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 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.【Keywords】SPCE061A PT100 PID control system 目 录第1章绪 论11.1概 述11.2选题意义11.3可行性分析21.4国内外温度控制器的分析31.4.1 温控产品的特点31.4.2 国内外温控产品现状41.4.3 国内外现状总结61.5代表性设计案例分析6第2章设计方案的选定82.1温控设计的方案82.2控制处理器的比较分析82.3温度传感器的分析选择92.4单片机与上位机PC通信分析112.5控制算法的分析112.6基于AT89C51和SPCE061A的方案对比分析13第3章温度控制系统总体介绍153.1设计名称及要求153.2系统设计参数153.3系统整体框架说明15第4章 各部分电路模块设计说明174.1单片机SPCE061A 模块简介174.2SPCE061A 精简开发板简介194.3键盘显示模块204.4 传感器PT100 简介234.5 放大电路244.6 功率驱动电路模块25第5章软件设计265.1 软件总体设计265.2 温度转换实现275.3 PID 控制的实现295.4 温度控制PID 算法设计31第6章 毕业设计总结376.1 设计结论376.2 毕业设计体会376.3 致谢38参考文献40附录41附录A：系统原理图41附录B：软件源代码422 4 6 10 第1章绪 论1.1概 述本人是机械设计制造及其自动化专业，按照学校培养“应用型人才”和社会需求“复合型人才”为目标，历经四年的学习，具备了机械设计制造基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械制造领域内的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等。在现代机电系统中自动化控制起着核心控制的作用，是不可缺少的一部分。毕业设计选择自动化控制系统的设计，符合本专业自动化方向，同时也是本人将来工作的发展方向。在自动化控制系统中信号采集是的关键环节，不仅是系统控制的根本出发点也是最终衡量系统控制性能的重要依据之一。在一个完善的闭环控制系统当中，首先要检测当前被控对象的状态，就必须对被控对象的状态信息（比如常见的温度，流量，速度，液位等信息）进行采集，并能够将此信息还原为实际的温度，流量等信息，并以此作为控制的根本出发点。控制结果与目标的一致性也必须通过信号采集来衡量，只有采集当前的状态信息，并对该信息进行分析才能了解控制过程的好坏，才能做出进一步的优化。由此可以说信号采集在系统控制中起着至关重要的作用，本设计中的重点是如何精确采集、传送和处理温度信号。1.2选题意义自动化温度控制在许多行业中都发挥着重要的作用，如：冶金工业中炉膛温度控制，食品加工烤箱的温度控制，化学工业中的反应池温度控制。不同行业的需求对自动化温度控制提出了不同的要求，温度控制的范围，精度，响应的时间等要求都不相同，但是控制的原理是相同的：由微处理器处理采集的温度数据控制温度调节单元来获得预期的温度。基本的器件由温度采集，信号传输，处理运算，控制电路，人机接口等几个部分组成的。目前市场上已经有很多成熟的产品。从目前温度控制的产品现状，国内外的市场前景，技术的发展来看，温度控制课题是一个成熟的，有市场潜力的，有发展前途的研究项目。从技术角度来看，研究温度控制课题能解决国内在这方面的弱势（大部分技术都是国外专利）。从服务市场的角度来看，能适应市场的发展，满足国内外市场的需求。从学业的发展角度来看，本课题符合本专业机械设计制造及自动化中的自动化方向。自动化中的控制原理是相关的，具有联系性，此设计资料、思路、方法、步骤、部分设计可以运用到其他自动化控制领域，对自身素质有很好的提高。此外，本课题注重应用，不仅要独立完成许多理论设计，更需要大量的实验，处理数据，最后制造出成品，作为设计成果展示，符合学校的教学理念培养应用型人才。1.3可行性分析在导师的指导帮助下，已经完成了资料查找、技术准备、文献综述和外文翻译等部分，较好地完成了毕业设计的前期准备工作。通过与导师的反复论证，认为在现有的条件下有能力完成本课题。下面从几个方面论述：n 知识水平通过大学四年的学习，基本在掌握了机电一体化产品的设计，在自动控制方面具备了一定的设计、制造能力，其中大三完成了基于单片机的自动化温度采集显示系统的理论方案。可以说本课题是在有一定基础上开展的。n 硬件设备由于本课题涉及到大量的实验和数据处理，需要加热炉、标准温度计量器和其他硬件电路设备，目前工程分院的实验室基本具备以上的实验设施，可以进行实验使本课题从理论转变成实际样品。n 技术经验本次课题研究是大学四年中最重要的一次，因此全力以赴，发挥最大能力，保证课题的顺利完成。在已经完成的文献综述方面，应用了新的资料搜集方法搜集到了大量的资料信息，准备的充分、系统，资料数量大，范围全面，内容质量高，数据准确，技术含量大，对课题研究将有重要的帮助，直接关系到课题成果的质量。目前已经完成了基于AT89C51和PT100铂电阻等电子元器件的温度控制电路图设计，具备进一步开发的条件。n 资金条件大学四年中做了多份学生科研竞赛课题，深刻体会到学生科研受到资金不足的限制，多次因资金问题导致最后成果不佳。因此本次课题设计把资金问题做为重点，以现有的资金获得最大的收获。由于是毕业设计，得到了学校和老师的支持，目前部分资金已经到位，可以开展研究工作。从知识水平、硬件设备、技术经验、资金条件等方面来看，有能力独立完成温度控制系统的设计和制作。1.4国内外温度控制器的分析大学四年中做了多份学生科研竞赛课题，深刻体会到学生科研受到资金不足的限制，多次因资金问题导致最后成果不佳。因此本次课题设计把资金问题做为重点，以现有的资金获得最大的收获。由于是毕业设计，得到了学校和老师的支持，目前部分资金已经到位，可以开展研究工作。1.4.1 温控产品的特点浏览网页，考察市场，询问专业人事后，了解到现在温度控制产品有以下的特点：n 多样化：产品多样化，功能、种类、型号众多，适应不同用户、不同需求，可以说是为了适应市场，更好地服务客户，客户选择的余地很大。从实现温度控制成本的角度来看多样化可以节省资金。n 模块化：将温度控制器的各个部件都集成在一个单元内，在整个系统内形成了一个温度控制模块。用户拿到的是一个外观精美，使用的，有针对性的产品。集成在一个单元内，有个外壳保护元件，在一定程度上避免了因碰撞，潮湿，灰尘等因素引起的故障，提高了使用的稳定性和寿命。n 系列化：公司根据不同的要求（价格、精度、体积等因素）设计了系列化的产品，用户寻求使用和维护都很方便，对公司的销售、管理也有利。系列化也是为了适应市场要求。可以说自动化温度控制产品已经相当成熟了，不过即使再成熟的产品，只要有市场需求，就有生命力，不断改进，更新，创造更好的产品。自动温度控制在各个方面都有不可缺少的的作用，非常有市场前景。从市场前景展望，从事温度控制领域研究具有开发价值。下图1-1是西门子公司的带液晶显示的房间温度控制器，从两个产品我们可以看出具有模块化、系列化的特点。该产品典型应用：n 用于两管制风机盘管进行供冷供热的独立房间温度控制n 用于采用DX 型装置供冷的房间控制n 用于开关阀门和转换三速风机适用于系统有下列功能n 自动冷/热转换n 手动冷/热切换n 连续供冷或供热模式1.4.2 国内外温控产品现状全球工业电子温度控制器市场近年增长缓慢：因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%， 2004年为3.5%，2005年为2.5 % 。预计2006年全球市场的增长率仅为1.2% ，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7% 。欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。温度控制器国内项目市场分析：中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。根据现有的资料分析如下：1）、温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置。2）、目前国内温度控制器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器市场的需求。3）、温度控制器不仅在国内市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观。4）、由于沿海发达地区产业的梯度转移，科龙集团已在南昌新建分厂，上海华意集团也与江西签订了投资意向。市场效益显著：只考虑生产和销售环节，我大体估计了下温度控制器市场经济效益：目前国内市场价每只温度控制器11元，出口价每只2美元。年产500万只温度控制器，年产值可达6000万元，年利润可达1500万元，投资回收期3.5年左右。综合分析可以看出：1）温度控制器全球的市场需求巨大，尽管增长缓慢，但需求的绝对数量很大。2）中国国内市场前景良好，发展潜力很大，目前国内外厂商都看好中国市场。3）控制生产成本，研究廉价的民用产品是一个很有前途的方向，举个简单的例子：中国人口众多，空调需求量大，每个空调都需要一个或多个温度控制器，温度控制器的市场在空调产业上的用量就相当大了。4）科学技术是第一生产力，不断研究新型的温度控制器是处于领先地位的必须条件。1.4.3 国内外现状总结从目前温度控制的产品现状，国内外的市场前景，技术的发展来看，温度控制课题是一个成熟的，有市场潜力的，有发展前途的研究项目。从技术角度来看，研究温度控制课题能解决国内在这方面的弱势（大部分技术都是国外专利）。从服务市场的角度来看，能适应市场的发展，满足国内外市场的需求。1.5代表性设计案例分析在收集到的25份温度控制设计中挑选典型的设计进行分析、学习，积累温度控制设计方面的知识。这个部分很有针对性，能直接学习到相关的知识，是个参考借鉴过程。案例：（系统结构框图见图1-2）题目：基于89C51单片机的智能温度控制系统的设计作者：耿方志 文献来源：现代电子工程 2003年1期摘要：介绍了以89C51单片机为核心的温度控制器的设计，文章结合全国大学生电子制作竞赛的课题水温控制系统，从硬件和软件设计两方面作了较为详尽的阐述。关键词：水温控制系统PID控制、单片机、AD590 、ADC0809。分析：1）此设计质量较高。理论上系统控制精度高：温度控制设定范围为40- 90 ，最小区分度为0.2 ，标定温差0.6 ，静态误差0.4。2）设计合理科学，目标明确，思路清晰，逻辑合理，使用了较先进的改进型PID控制算法。3）由于使用了PID控制算法，控制的精度相对其他简单控制算法的系统有了提高。为了实现较高精度控制，使用PID控制算法是一个方法。4）加入了保护电路，越限报警等部分，是系统更加完善。5）由于AD590测温范围：-55+150，该系统的适合控制温度不高的领域，适合民用，如水温控制，室内温度控制。6）该系统在不同的条件下应用需要修改参数，不能直接使用，否则控制精度难保证。7）同样是既有加热器（热电阻丝）又有冷却器（电风扇），有利于快速实现温度的升降控制。通过对以上两份设计的分析学习，对整个温度控制系统有了系统的认识。对各个部分的电路进行了研究，懂得了工作机理，绘制了多张电路图。学习和借鉴优秀的设计对提高自身的设计水平有很大的帮助。第2章设计方案的选定2.1温控设计的方案根据收集到的设计资料学生做温度控制的设计几乎都是以C51为控制核心，并以此为基础设计其他电路来实现的。传感器选择PT100、AD590、DS18B20等。显示组件为LED或LCD。学生设计中使用PLC和DSP作为控制核心的开发费用要上千元，做温度控制系统性价比低，使用很少，所以PLC和DSP控制核心不作考虑。PLC和DSP在工业控制中特殊温度控制的场合应用广泛，如大型粮库的多点温度控制。对三十多份学生的温度控制设计方案分析总结出：n 控制处理器基本选择在学校使用学习过的C51系列，降低技术难度和风险。n 电子元件选择非高精度的通用型号，容易购买，价格低廉。n 系统功能单一，难以扩展功能，开发升级。n 整个系统开发费用低廉，适应学生学习要求。2.2控制处理器的比较分析在毕业设计前期的资料收集、技术准备阶段，本人完成了以AT89C51、AD590、ADC0809、LED为主要部件的温度控制系统原理设计。送报导师审批后，导师建议以SPCE061A单片机为控制核心设计全新的温度控制系统。根据目前搜集到的资料显示，实现温度控制的中央处理器有PC机、DSP、PLC、单片机、专用温度控制器五大类别，下面举例说明五类处理器实现温度控制的机理。n PC机即个人计算机，功能强大，通常作为上位机，需要控制网络，下位机等其他硬件设备的支持，实现对一个区域的温度监控，具有良好的人机操作界面，能管理温度控制方面多个层面，如防火消防，室内温度调节，特殊房间的温度控制。适用于工厂、宾馆大厦等大范围的温度控制。n DSP基于DSP的温度控制系统以高速DSP为核心，其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果，可以实现复杂的控制。具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小以及可靠性高的特点，可满足对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。可以作为上位机使用，控制若干个下位机，也可以单独应用于某一点的温度。同样需要网络等技术支持。通常运用在生产线温度控制，仓库的温度控制等。n PLC以微处理为基础，综合计算机技术和自动化技术而开发的新一代工业控制器可编程控制器(简称PLC)正在改变着生产过程控制的面貌。近二十年来，随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高，能经受恶劣环境考验，使用非常方便的巨大优越性，迅速占领工业自控制领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。微型可编程控制器由于体积小价格适中而且可靠性高，非常适合当前中小企业的设备改造、 以提高产品质量和劳动生产率。n 单片机单片机是目前最为常用的控制处理器，以低廉的价格，完善的功能，广泛适用于大部分控制领域。特别适合学生开发控制系统（低成本、小规模、多方面、易上手、重基础），几乎所有的本科生在研究自动化控制课题时候都选择了单片机作为控制系统的处理器。上面已经有很多单片机实际运用于温度控制的例子了，在此不重复展开叙述了。本人的自动化温度控制也是基于单片机为核心的控制系统，将在论文中详细介绍各个部分。2.3温度传感器的分析选择在温度控制领域目前成熟的应用的技术按传感器类型分类有以下几点：n 机械式温度控制器件机械式温度控制器件，到达预定设置的温度后开关断开，当低于一定的温度时又自动开启，这种温度控制通常是控制某一个定值，不具备可调性，控制的精度很低，响应的时间也很长，但成本低廉，应用比较广泛，多用于民用。如在电饭锅上使用的是机械式的温度控制器件。n 热电偶热电阻温度控制器热电偶热电阻温度控制器中以热电偶、热电阻作为温度传感器，通过运放、AD电路，将温度物理量转换成电压等信号，传送给处理器，处理器进行比较分析，输出控制信号给控制开关，开启或断开加热、冷却电路。这类传感器应用广泛，控制温度范围和精度按需要选择器件的型号。如： AD590（见图2-1）AD590的测温范围为-55+150。 AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 输出电阻为710MW。 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为±0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。对于其他型号将在以后传感器章节叙述。具体也可以到网上输入“传感器型号”关键词，寻找到。n 数字式温度传感器控制器数字式传感器内集成了AD转换单元，输出的是数字量，不是模拟量了，方便使用，电路简化，程序相对减少了些。其特点：（1）接口联线简单，只需要数根接线（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围一般为+3.0+5.5 V。（4）测温范围广泛，固有测温分辨率较高。（5）通过编程可实现按位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）部分产品支持多点组网功能，多个可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）部分产品具有负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。这种传感器使用方便，应用广泛，但价格较其他类型的传感器贵一点。 在此对温度控制传感器方面进行展望。由发展的趋势来看，数字式温度传感器由于集成了AD转换单元，受到设计人员的喜爱，数字式传感器使用场合将更加广泛，当然其他两种常用的传感器件仍然有市场，短期内不会被淘汰。随着科学技术的不断发展，新的测温传感技术不断出现，如对热源的红外信号进行探测，通过红外信号采样与标准对比，得出温度的数值，这种方法可以避免了传感设备和热源的直接接触，在许多特殊领域得到了应用。可以预测，随着科学技术的进步，将有更多的采集温度信号的手段出现，温度传感器的种类将变的更加丰富。本人在大三的时候选用过DS18B20、8051单片机等电子元件设计过温度采集系统，对DS18B20有一定的使用经验。但考虑到现有的条件，结合实际，决定选择PT100铂电阻作为温度传感器，在第四章的PT100传感器模块中将详细介绍。2.4单片机与上位机PC通信分析控制系统中，单片机通常作为下位机使用，直接控制一部分的电子、机械器件动作。随着控制系统的复杂化，单片机的能力有限，必须使用更高级别的控制处理系统，有许多微处理器（包括PC、DSP、PLC、单片机）组成复杂的控制系统。通过网络硬件、通信协议软件实现互相的通信，达到配合，使整个系统运作。在控制系统中处于高级别的控制器，称为上位机，管理下级别的控制器，通常选择PC机作为上位机。在此对单片机与PC机的通信做个简单的学习，主要目的是为了使用PC机的模拟软件和仿真板在正式制作电路板前调试程序和电路。参考了单片机&DSP外围数字IC技术手册（北京航空航天大学出版社）的第六章，易懂的单片机入门第32、33讲，PIC单片机实验教程（北京航空航天大学出版社）第三部分，单片机入门教程中的仿真板部分等26份资料，归纳为以下三种方式：RS-232通信接口、RS-485通信接口、USB通信接口。三种方式都有相应的硬件支持，专用的芯片，同时需要专门的通信协议。在此不具体展开了，详细说明见第四章的RS-232通信模块部分。2.5控制算法的分析从实现温度控制的算法方面来看有以下几点：n 开关式温度控制这种控制算法简单直接，输入值与设定值进行比较，程序相当简单，按照差值控制加热器进行加热或冷却器进行冷却。此方法使用简单，但控制精度不高，一般用在精度要求低于+-0.5 的温度控制场合，适用与家用电器控制等，如空调的控制程序中的控制算法就是这原理。n 经典PID控制算法控制（模糊理论）这种算法以比例（P）、积分（I）、微分（D）函数为基础，通过大量是实验，确定需要的参数，建立数学模型，编写程序来达到更好地控制精度，理论上控制精度可以达+-0.001。这种方法算法较复杂，编写程序中乘法指令较多，需要大量的实验确定参数。因为在软件方面的改进（改进控制算法）提高了控制精度，所以此方法现在最常用。n 改进型PID控制改进型PID控制也属于PID控制。在能源、冶金、化工等工业生产过程中，温度控制占有重要的地位，而在许多温度控制系统中，往往需要实现连续温度控制。过去类似恒温器的温度控制常常采用经典PID控制方法。虽然实用方便，但参数整定困难，而且往往由于控制对象系统特性较差，具有高度的非线性、干扰大、惯性大、滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现系统不稳定的现象。在工业企业中，提高温度控制对象的运行性能，一直是控制人员和技术人员努力研究、力求解决的问题。近年来，温度控制方法有了很大的发展，准二维模糊PID控制、变参数PID控制、智能比例控制、模糊控制等多种控制方法已经成为温度控制的主要发展方向。针对不同类型，不同特点的系统，每种控制方法都有其各自适应的场合，为温度控制系统性能的提高提供了坚实的理论基础。n 基于单神经元的智能温度控制本部分参考了万方数据库中的数字化期刊的基于单神经元的智能温度控制仪的研制的文章。阅读文章后的理解：1）基于单神经元的智能温度控制的核心也是一种控制算法，比较复杂，需要有数据库支持，对硬件系统有一定的要求。2）该控制方法具有一定的“智能”（其实是设计者的智慧），具有比较学习修改参数的能力。3）由于硬件到目前为止还没有完善的成型的，该控制方案还停留在理论层面上，没有一个成型的产品，有待进一步开发。4）此系统的开发不是个人能完成的，需要多个学科多人共同完成，并且需要大量是实验器材。开发此控制系统具有挑战性。5）本次毕业设计中不能应用此控制算法。6）在此提出作为温度控制领域中控制算法的一个发展方向，属于前沿科学。对控制算法展望，可以预见通过设计者的不断努力和技术的不断发展，控制算法将更有利于控制精度的提高。程序将更科学，具有智能学习分析功能。本次设计采用改进型PID控制算法来实现高精度的温度控制，具体见第四章的PID控制算法部分。2.6基于AT89C51和SPCE061A的方案对比分析通过2.2控制处理器的比较分析的论述，本此设计选用了单片机作为控制处理核心。在毕业设计前期的资料收集、技术准备阶段，本人设计了以AT89C51、AD590、ADC0809、LED为主要部件的温度控制。送报导师审批后，导师建议以SPCE061A单片机为控制核心设计全新的温度控制系统。为使用SPCE061A单片机，参考SPCE061A单片机生产商凌阳公司提供的资料和其它学习资料，基本掌握了设计方法，完成了以SPCE061A为控制核心，PT100为传感器，LED显示，PWM控制（继电器），四键输入，上位机通讯接口等温度控制系统的设计。在此对本人两个设计方案进行比较分析下。以AT89C51为核心的设计为A方案，以SPCE061A为核心的设计为B方案。A、B两个方案都能达到技术指标：温控范围： 室温 100温度；静态误差： T<= 0.5 摄氏度；温度超调量： T<= 0.5 摄氏度。A方案的特点：n 设计方案成熟可靠，储备有大量的参考资料。n 控制核心是C51系列的单片机，单片机课程中学习使用过，有一定的基础，能很快上手使用。n 需要DC5V和DC12V两中规格电源（部分零件需12V电源）。n AD590在6070的线性度不够理想，误差较大。n 使用C51系列仿真板进行仿真调试。n 整个系统的开发费用约为700元。B方案的特点：n 学生温度控制设计中较少使用，资料缺少，是全新的开发领域。n SPCE061A是16位的单片机，相对C51系列的单片机而言性能有一定的提高。n SPCE061A内部集成的模块较多，适合电子消费类产品使用，可简化外围电路。n 需要DC5V电源供电，整个控制系统使用3节五号电池就可以工作。n 需要对SPCE061A单片机进行学习使用。n PT100在2030的线性度不够理想，误差较大。n 使用凌阳公司与SPCE061A配套的61仿真板进行调试。n 整个系统的开发费用约为300元。联系实际应用，综合考虑，听从导师指导，选择了B方案，即以凌阳SPCE061A单片机为控制核心的设计方案。并在五月上旬完成了理论设计，电路调试，系统工作稳定，达到了技术指标，实现了预期的要求。第3章温度控制系统总体介绍3.1设计名称及要求名称：基于SPCE061A单片机的温度采集及控制系统设计。利用SPCE061A 单片机、PID控制算法，LED 键盘模组和温度采集控制模组设计一个自动化温度控制系统（以水温为控制对象）。其结构见图3-1系统结构图。设计要求1. 熟悉凌阳SPCE061A单片机的工程应用；2. 温度的实时采集显示；3. 对温度的变化能够做出及时的处理，应用PID 调节；4. 通过接口实现上下位机通信（最远传输距离为20米）；5. 整个系统的开发费用控制再300元内，体现性价比；6. 系统控制部分使用低电压供电，方便携带和户外使用；7. 使用PROTEL绘制系统原理图；8. 系统设计预留扩展功能，方便开发升级；9. 使用凌阳公司的061实验板仿真调试电路；10. 硬件可以重复利用，实现多功能。3.2系统设计参数1. 控制电路采用DC5V 供电；2. 加热部分采用AC220V-1KW 电热器(容量为1L)加热；3. 温控范围：室温 100；4. 温度控制指标：温度静态误差： T<= 0.5 摄氏度；5. 温度超调量： T<= 0.5 摄氏度。3.3系统整体框架说明系统整体硬件设计如图3-1，分为单片机SPCE061A控制核心模块、LED显示模块、1*4键盘模块、PT100传感器模块、RS-232通信模块、继电器开关控制模块六个模块组成。整个系统以单片机SPCE061A控制模块为核心，前向通道包括传感器及其信号放大电路模块，1*4键盘输入模块；后向通道包括三部分：LED 显示电路，RS-232上位机通信模块以及控制加热器的继电器驱动电路。由于SPCE061A 内部有8 路10 位精度的AD 转换器，所以直接将传感器输出信号放大后输入SPCE061A 的AD 转换通道即可，不需要外接ADC。水温通过PT100传感器模块采集、转换成电信号，通过两级信号放大器放大后传送给单片机SPCE061A控制核心模块，在控制核心模块中，按照编写的程序，使用PID控制算法进行比较分析后，分别给LED显示模块和继电器控制开关模块发出相应的指令，来显示和控制电热器开关加热。如果有必要，将采集的温度信号通过RS-232通信模块传送给上位机PC，用分析研究温度变化。第4章 各部分电路模块设计说明本系统采用SPCE061A 单片机作为主控制器，采用LED 键盘模组作为输入和显示单元，使用PWM控制模组控制加热器开关，下面简单介绍设计中将会用到的模组：4.1单片机SPCE061A 模块简介经过长期的技术准备，再三考虑，最终选择了SPCE061A单片机作为控制核心，见图4-1。SPCE061A 是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便实现复杂的数据处理，包括基本的加减运算和复杂的乘积运算处理，该芯片拥有8 路10 位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，另外7 路可作为普通的AD 转换通道。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C 语言，可以实现C 语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了方便的条件。SPCE061A 片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE 接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（nSP IDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。SPCE061A 性能特点：n 16 位nSP 微处理器n 工作电压（CPU）VDD 为3.03.6V，（I/O）VDDH 为3.05.5Vn CPU 时钟：0.3249.152MHzn 内置2K 字SRAMn 内置32K 字FLASHn 可编程音频处理n 晶体振荡器n 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2uA/3.6Vn 2 个16 位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）n 2 个10 位DAC（数/模转换）输出通道n 32 位通用可编程输入/输出通道n 14 个中断源可来自定时器A/B、时基、2 个外部时钟源输入和键唤醒n 具备触键唤醒的功能n 使用凌阳音频编码SACM_S480 可以播放压缩的语音资源n 锁相环PLL 振荡器提供系统时钟信号n 32768Hz 实时时钟n 7 通道10 位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器n 声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器，并具有自动增益控制（AGC）功能n 具备串行设备接口n 具备低电压复位功能和低电压检测功能n 内置在线仿真电路接口n 具有WatchDog 功能SPCE061A单片机功能强大，能满足多个方面的应用，同时集成了许多电路模块，减化了电路设计，提高了系统的稳定性。通过与导师的反复论证，和对凌阳系列的产品评估，认为该方案能够很好的完成本次毕业设计。所有参数性能都能达到要求，能够实现预期的目标。目前的学生自动化温度控制设计几乎都使用的C51系列的单片机作为控制处理器，一切的开发都基于C51单片机的特点。虽然本人在毕业设计前期工作已经基于AT89C51完成了理论论证、电路的基本设计、元器件的选型等工作，但是考虑到继续按照此方案进行设计没有创意，所以决定选择新的道路，使用凌阳单片机，各个方面是在凌阳单片机的核心的基础上开发的。如果用C51系列的单片机，虽然产品应用广泛，但对于学生科研课题这中单批量、小规模的采购，采购价格会稍微高点的，根据其他学生的制作成本来看至少需要500元（不包括仿板）。如果使用凌阳系列的单片机，并从凌阳购买相关器件（学生特价为210元），全部的成本约300元（包括打印材料耗材、仿真软件、教材书籍）。由于购买凌阳产品的同时能够获得很多专业的书籍资料，相对而言性价比就高的多了，不仅仅是节省了200元的问题。由于与凌阳系列配套的61板具有多功能，使用此实验板可以进行多种实验，不仅仅是温度控制，相关的单片机自动化控制都能完成。基于61板的功能强大，完成本次课题实验后还可以改为其他用途，不但经济省钱，重复利用，而且可以作为实验板完成其他实验。这相对与传统的毕业设计思路有所改进。在开展课题研究前，结合61实验板往SPCE061A单片机内烧录了“语音报时电子万年历”和“复读机”程序，进行试验，系统运行稳定，效果良好。凌阳系列的单片机相对C51系列的单片机，在某些特殊领域优势明显，如电子消费产品领域，特别适合民用，具有一定的市场开发价值。集成的电路模块比较多，简化了外围电路，简化了工作量，如集成了10位的AD和DA、语音系统、看门狗电路、USB/UART。在运算处理速度上面也比较可观，基本上各个参数都超过了C51系列，甚至具备了部分DSP的功能（乘法运算）。4.2SPCE061A 精简开发板简介SPCE061A 精简开发板（简称61 板），是以凌阳16 位单片机SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板（见图4-2），大小相当于一张扑克牌，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61 板除了具备单片机最小系