1、具有語音功能的水溫控制系統設計摘要：SPCE061是一款具有語音處理功能的16位單片機。本方案利用SPCE061A集成 的ADCft接將采集到的模擬信號轉化為數字信號；在控制方面采用數字PID可以控制 方案；在進行數據處理的同時將當前的溫度結果直接通過串口傳送至上位PC直接在P C端口溫度的變化曲線，并根據需要進行相應的數據分析和處理。同時以SPCE061A為控制核心，實現了對當前的溫度十進制的數碼管 LED顯示、語音播報溫度。SPCE061A 片內集成了一個ICE （在線仿真電路）接口，使得對該芯片的編程、仿真都變得非常 方便，而 ICE 接口不占用芯片上的硬件資源 , 結合凌陽科技提供的集

2、成開發環境（nSP IDE）用戶可以利用它對芯片進行真實的仿真；而程序的下載（燒寫）也是通過 該接口進行下載。本設計方案綜合使用了 SPCE061的 A/D、Timer、Time Base UART 等眾多資源，發揮了 SPCE061A勺優異性能。關鍵詞：SPCE061A溫度采集 PID控制Pt1001 引言信號采集在系統控制中起著至關重要的作用，是控制技術的關鍵環節。在一個完 善的閉環控制系統中，首先要檢測被控對象的當前狀態，必須對被控對象的狀態信息（比如常見的溫度，流量，速度，液位等信息）進行采集，并能夠將采集到的數據還 原為實際的狀態信息，并以此作為控制的出發點。控制結果和目標的一致性也

3、必須通 過信號采集來衡量，只有采集當前的狀態信息，并和設置的目標進行對比才能了解控 制過程的好壞。本設計以水溫控制系統為載體，利用SPCE061自帶的10位A/D轉換器， 結合Pt100傳感器完成對水溫的采樣，通過數字濾波等技術消除系統的干擾因素還原 當前的溫度值，并且對采集到的溫度值進行 PID運算處理，實現對水溫的控制。以及 十進制的數碼管LEE顯示、語音播報溫度等。2 系統設計分析2.1 設計任務和要求利用SPCE061單片機、LED顯示和UAR模組設計一個數據采集系統（以水溫控制系 統為載體），基本要求如下：1. 溫度的實時采集顯示和語音播報；2. 對溫度的變化能夠做出及時的處理，最好

4、能夠使用 PID調節；3. 通過UAR實現上下位機通信，并在上位機上顯示溫度的變化曲線。2.2 系統設計組成模塊整個系統以SPCE061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，語音播報電路，上位機通信電路以及控制加熱 器的繼電器驅動電路。SPCE061內部有8路10位精度的A/D轉換器，可以直接將傳感器 信號放大后輸入其A/D轉換通道。SPCE061實時采樣溫度，通過數碼管將當前溫度在 下位機端口顯示出來，并根據采樣結果控制加熱器，調節平均加熱功率大小；同時通 過UAR接口傳送上位P（機。各模塊說明如下：語音播放：播報整數溫度變化。鍵盤設定：用

5、于溫度設定。共三個按鍵。按 KEY鍵，溫度值的十位會閃爍，通過 KEY1/KEY鍵修改十位的值的大小，每按一次 KEY鍵，十位的值加1,達到9之后自動 變為0；每按一次KEY鍵，十位的值就減1，達到0之后自動變為9；十位設置完成按KEY3 鍵切換至個位設置，通過 KEY1/KEY鍵修改個位值的大小；個位設置完成通過 KEY鍵 切換至小數位設置，方法同上。成功設置十位、個位和小數位后，按KEY鍵則系統會進入控制狀態。控制狀態下，數碼管的顯示內容為當前采樣溫度。重新設置目標溫度： 可以通過KEY鍵重新設置目標溫度，運行狀態下按 KEY鍵進入設置模式，按照上面介 紹的方法重新設定目標溫度水溫采樣：將

6、電壓信號經AD專換后，換算成溫度值，用于播報和顯示。LEE顯示：采用三位八段數碼管顯示，設置溫度和測量溫度，顯示小數點后1位字。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至P（機，描繪曲線并打印。繼電器/熱電爐：通過三極管控制繼電器的開關來完成對熱電爐的功率控制圖2.1系統整體框圖2.3系統總體方案介紹根據水溫控制系統的設計分析，了解了水溫控制系統的組成。根據上述的介紹, 做出了主體系統整體硬件連接如圖 2.2所示，8圖2.2系統硬件連接圖系統采用PID閉環控制方案，如圖2.3所示，將預置初值和傳感器反饋信號比較得 到偏差（e）,對偏差（e）進行PID運算處理得到控制量（u），通過此量來控制加熱 器的加熱

7、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做出預測，并且根據需要及時反方向抑制，以防止出現較大的超調量和波 動，在PID控制中，積分環節（I ）具有很強的滯后效應，而微分環節（D）則具有預 見性，所以該方案最終采用PD算法，能夠很好的控制超調，并且穩態誤差也很小。圖2. 3系統PD控制方案3系統硬件設計3.1模塊特性簡介本系統采用SPCE061單片機作為主控制器，采用LED顯示單元，同時利用UAR模組 將采集到的數據通過串口傳送給上位機，下面介紹將會用到的主要器件：3.1.1 SPCE061A簡介該芯片擁有8路10位精度的ADC其中一路為音頻轉換通道，另外7路

8、可作為普通的AD 專換通道。另外凌陽的十六位單片機具有易學易用的效率較高的一套指令系統和集 成開發環境。在此環境中，支持標準 C語言，可以實現C語言和凌陽匯編語言的互相調 用，并且，提供了語音錄放的庫函數，只要了解庫函數的使用，就會很容易完成語音 錄放，這些都為軟件開發提供了方便的條件。 下圖為SPCE061單片機的內部結構框圖：IOA15 -0IOB15-0圖3.1 SPCE061A內部結構圖3.1.2 Pt100溫度傳感器簡介溫度傳感器采用PT100型的鉑電阻。鉑的熱電阻是一種穩定的高精度，并具有線性 響應和較好的長期穩定性的溫度檢測器。只要經過適當的數據處理就可以傳輸，顯示 并記錄其溫度

9、輸出。因為鉑的電阻的阻值和溫度呈正比關系，所以只需要將已知電流 流過該電阻就可以的得到和溫度成正比的輸出電壓。根據已知的電阻-溫度關系，就可以計算出被測的溫度值。Pt100溫度傳感器為正溫度系數熱敏電阻傳感器，主要技 術參數如下： 測量范圍：-200 C+850C； 允許偏差值&： A級±( 0.15 + 0. 002 | t | ), Ba±( 0.30 + 0. 005 | t | ); 熱響應時間30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm 允通電流w 5mA另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。 鉑熱電阻的線性較

10、好，在0至 100度之間變化時，最大非線性偏差小于 0.5度。鉑熱電 阻的阻值和溫度關系為：(1) -200 C <t<0 C 時,RPt100=100*1+At+B*t + C*t *(t-100)(2) 0 Cw t w 85C 時，RPt100=100*(1+At+B*t)式中，A=0.0390802; B=-0.00000580; C=0.2735。可見 Pt100在常溫 0至 100度之間變 化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為： RPt=100( 1+At)，當溫度變化1攝 氏度，Pt100阻值近似變化0.39歐姆。3.2各個模塊電路的設計傳感器電路傳感器電路包括

11、傳感器測量電橋和放大電路兩部分，如圖3.2所示，AV接IOA4。PT100鉑的熱電阻在0C的額定電阻值是100歐，它是一種標準化的器件。由 PT10C熱 電阻將加熱器的現行溫度信號轉換為相應得電壓信號，再經過放大和濾波之后輸入到SPCE061A圖3.2傳感器放大電路R2 R3 R4和PtIOO組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩定性，電 橋的輸入電壓通過TL431穩至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入 單片機。電橋的一個橋臂是采用可調電阻R3,通過調節R3可以調整輸入到運放的差分 電壓信號大小，通常用于調整零點。放大電路采用LM35集成運算放大器，為了防止單級放大

12、倍數過高帶來的非線性誤 差，放大電路采用兩級放大，如圖3.2所示，前一級約為10倍，后一級約為3倍。溫度 在0至100度變化，當溫度上升時，PtIOO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對應升高。注意：雖然電橋部分已經經過TL431穩壓，但是整個模塊的電壓VC&定要穩定， 否則隨著VCC勺波動，運放LM358勺工作電壓波動，輸出電壓Av隨之波動，最后導致A/D 轉換的結果波動，測量結果上下跳變。按鍵和顯示電路按鍵直接使用61板自帶的按鍵，其電路如下圖所示，不需要連接硬件即可使用。VDD圖3.3 1*3獨立按鍵電路原理圖顯示采用LEDS盤模組6位數碼管的其中3位

13、進行動態顯示，電路原理如圖3.4所示。在使用時，將 a至dp端接IOA8至I0A15, DIG4至DIG6接I0B3至IOB5oW10CTT 1nr 3cjnt3TIT 3CRTSJiTaw +crcri*JZfcT JCH7IJ£21 *DQ 工 «XU XUUI?IFJL11JF n11rra-圖3.4顯示電路原理圖功率驅動電路模塊系統的主要功率器件為一個交流 220V1000W勺電加熱器，采用繼電器來驅動該 加熱器。繼電器選擇OMROG6B-1174理繼電器，該繼電器具有觸發電壓低（DC5V）, 可控功率大（AC 8A250V，以及反應時間短等優點。采用 NPN805

14、三極管驅動繼電 器，當其控制端Ctrl加載高電平信號時三極管導通，繼電器工作，當其控制端Ctrl為低電平信號時三極管截止，繼電器停止工作。繼電器的周圍有續流保護電路和工作指 示電路。功率驅動部分電路如圖3.5所示。圖3.5功率驅動模塊電路原理圖Ctrl為繼電器控制信號輸入端，通過單片機的I0A7空制。J2為控制加熱器的開關接口324 UART轉換模塊電路系統上，下位機的數據傳輸通過UAR接 口完成，該部分的電路如圖3.6所示。COM1COM2VCC1Nrrx2丄7NIRk2£NlTxlJJMRxlGNP6NgT1CON<5SLTB-B9"十VCCv+GNDCl-DOL

15、JT1C2+RIN1C2-ROUT1V-DINIDOUTDIN2RIN2ROUT21613+PI'xll1T PRxlIn12- MRxlJJ? MTxl 遠 MTx2廠 MRx23.6 UART轉換模塊電路原理圖系統設計要求控制系統能同PC聯機通信，已利用PC圖形處理能力打印顯示溫度曲線。由于SPCE061串行口為TTL電平，PC串行口為RS232&平，使用一片MAX23為電平轉換 驅動。UAR模組的COM接口和P（機串口相連接，J1 口的VCC GND Tx1分別和61板的 “ +”“ - ”、IOB1（相連接。音頻輸出電路SPCE061舶置2路10位精度的DAC只需要外接

16、功放電路即可完成語音的播放。通過SPY0030功率放大器，驅動喇叭，完成語音播放。SPCE061A!過DAC1輸出語音電流信號，為了把電流信號轉換為電壓信號，提高輸出功率，推動揚聲器，在電路中 接了一塊SPY0030這是一塊八引腳的專用語音信號放大芯片，其增益為：G=2*5000Q/( 5000+R1，改變R1(1k)的大小可以改變增益值。3.7、音頻輸出電路SPY0030簡介：工作電壓2.4V-6V 最高輸出功率達到850mW4系統軟件設計4.1軟件總體設計程序的控制思想：設置目標溫度后，系統采樣水溫，且將當前溫度語音播報，并 通過預設溫度，當前溫度，歷史偏差等進行 PID運算產生結果fou

17、t0，通過該參數控制 加熱時間，從而調節加熱器的平均功率，實現系統的PID控制。整體功能通過主程序和中斷服務程序配合實現。主程序流程：系統首先初始化I/O，Timer，UAR等部件，之后進入主循環，進行 溫度采樣和相關處理。在系統運行過程中通過按 KEY鍵重新設置目標溫度。返回fOut值中斷服務程序：中斷服務包括IRQ5_2H中斷，IRQ5_4H中斷，IRQ2_TimerB中斷， IRQ6_TMB2（1024HZ中斷，及語音播放中斷FIQ-TMA中斷。其中IRQ5_2H用以提供1s時 間以確定AD采樣的時間間隔；IRQ5_4H中斷控制數碼管的閃爍，用于配合設置目標溫 度；IRQ2_TimerB

18、提供溢出頻率為64HZ勺中斷信號，配合主程序的PID運算結果foutO 確定加熱時間，實現加熱器功率調節；IRQ6_TMB為1KHZ寸基，在此中斷中完成LED勺 動態刷新；FIQ-TMA中斷為當鍵盤掃描時，調用語音播報函數，實時播報當前溫度。 Watch Dog是用來監視系統的正常運作。當系統正常運行時，每隔一定的周期就必須 清除Watch Dog計數器。如果在限定的時間內， Watch Dog計數器沒有被清除，CPU就 會認為系統已經無法正常工作，將會進行系統復位（reset）。 SPCE061A的Watch Dog的清除時間周期為0.75秒。2HZ中斷服務程18次AD轉換1hz中斷服務程序

19、調用顯示子函數置AD完成標志清除中斷標志中斷返回LJ圖4.5 1Khz中斷服務程序清除中斷標志V中斷返回圖4.4 2HZ中斷服務4hz中斷服務程序數碼管對應的位閃爍清除中斷標志*、中斷返回圖4.6 4hz中斷服務程序圖4.7 Timer B中斷服務程圖4.8語音播放中斷序列4.2子程序設計溫度轉換實現A/D轉換：每間隔1s執行一次溫度采樣操作，每次采樣執行 18次A/D轉換；在IRQ5_2H沖斷 服務程序中完成。A/D處理：A/D處理包括兩方面內容，一是A/D值的濾波處理，二是A/D值向實際溫度轉 換。由于干擾或者電路噪聲的存在，在采樣過程當中會出現采樣信號和實際信號存在 偏差的現象，甚至會出

20、現信號的高低波動，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在 實際采樣時采樣18個點，然后再除去其中偏差較大的兩個點，即一個最大值和一個最 小值，再對剩余的16個點取均值，這樣得到的A/D轉換結果比較接近實際值。在對數 值進行濾波操作之后，還要將A/D值轉換為溫度， 溫度轉換的C語言實現過程為：fT = (adc_data * K) - B ; / 換算成溫度值本方案中取K=0.1166, B=32.4;雖然Pt100的線性很好，但是當測量范圍比較大時， 非線性誤差就會變大。這時可以采取分段取 Kfi的方法來實現非線性校正。4.2.2 PID 控制的實現PID工作基理：如圖4.9所示，其實PID的實

21、質就是對偏差(e值)進行比例、積分、微分運算，根據運算結果控制執行部件的過程比例（P）設定-反饋積分（I）執行部件微分（D）圖4.9模擬PID控制系統原理圖數字PID的實現：由于計算機基于采樣控制理論，計算方法也不能沿襲傳統的模擬PID控制算法，所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以 T為采樣周期，k為采樣序號，用求和 的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續的PID計算公式離散：這樣就可以讓計算機或者單片機通過采樣的方式實現PID控制。具體的PID控制又分為位置式PID控制和增量式PID控制，若公式給出了控制量的 全部大小，所以稱之為全量式的或者是位置式控制；如果計算

22、機只對相鄰的兩次作計 算，只考慮在前一次基礎上，計算機輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計算， 這種控制叫做增量式PID控制算法，其實質就是求卩的大小。溫度控制PID算法設計本設計利用了上面所介紹的位置式 PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸 入，然后和設定值進行相減得偏差，然后再對之進行 PID運算產生輸出結果fOut ，然 后讓fOut控制定時器的時間進而控制加熱器。為了方便PID運算，首先建立一個PID的結構體數據類型，該數據類型用于保存PID 運算所需要的P、I、D系數，以及設定值，歷史誤差的累加和等信息。然后是PID運算的算法程序，通過PID運算返回fOut，fOut的值決

23、定是否加熱，加熱時間是多少。在實際運算時，由于水具有很大的熱慣性，而且 PID運算中的I （積分項）具有非常明顯 的延遲效應所以不能保留，我們必須把積分項去掉，相反D （微分項）則有很強的預見性，能夠加快反應速度，抑制超調量，所以積分作用應該適當加強才能達到較佳的 控制效果，系統最終選擇PD空制方案。溫度控制實現通過溫度的PID運算，產生結果fOut，該參數決定是否加熱，加熱時間是多長 加熱時間由主函數計算，由Timer B中斷控制。主程序中通過PID Calc函數得到fOut 參數，如果該參數大于“ 0”，則開啟加熱器。IRQ2_TM中斷一直處于允許狀態，每 進入一次IRQ2_TM中斷，fO

24、ut參數減1,直到fOut=O，停止加熱。如果PID Calc計算 結果比較大說明離目標溫度相差較大，則加熱時間比較長，如果計算結果比較小，說 明離目標溫度相差較小，加熱時間相對較短。上下位機的通信程序設計下位機程序設計：通信采用UAR接口實現，下位機的UAR通信代碼包含UAR初始 化和UAR發送兩部分。UAR發送每隔1s執行一次，以數據包格式發送：楨頭（0xaa）、 楨尾（0x55），中間兩個字節為溫度部分，前一個字節為溫度的整數部分，后一個字 節為溫度的小數部分。上位機程序設計：上位機接收采用VC可視化編程設計，上位機接收部分程序分為初始化和接收兩部分。對于數據接收部分：接收完數據首先判斷

25、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據還原為溫度值 并傳送給繪圖程序，如果接收到的楨頭和楨尾數據是錯誤的，則不進行處理繪圖界面設計：繪圖界面包括串行口設置、功能按鈕、曲線輸出窗口三部分，如 圖4.10所示，在使用時選擇正確的端口，上下位機的波特率，數據格式要一致。完成 以上操作，點擊連接即可。圖4.10繪圖部分界面PID參數的整定：由PID控制原理知：比例（P）控制能迅速反應誤差，減小穩態誤差; 比例作用的加大，會引起系統的不穩定。積分（I）控制的作用，只要系統有偏差存 在，積分作用不斷地積累，輸出控制量以消除誤差；積分作用太強會使系統超調加大， 甚至使系統出現振蕩

26、。微分（D）控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統的穩定性 提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。我們想要達到的目標就是：反應速度盡可能快，超調量盡可能的小，穩態誤差趨 近于0。通過測量曲線分析，最終選擇 KP=1.3、KD=2.0注意：PID參數的整定和加熱器的功率，水的容積有很大關系，所以在一個系統下 整定的參數在另外一個系統下可能不適用。426語音播放的實現凌陽SPCE061是16位DS特色單片機，有很強的信息處理能力，最高時鐘頻率 可達49.152MHz具備運算速度高等優勢。這為語音的播放、錄放、合成及辨識提供 了條件。語音處理大致可分為存儲、解碼處理及

27、 D/A等，見下圖4.11圖4.11凌陽SPCE061A單片機對語音處理過程放音的編解碼是靠調用庫函數完成，凌陽公司提供了豐富的庫函數，我們只要了 解庫函數的使用，就能輕松完成語音錄放，不需要我們設計硬件電路。凌陽公司提供 了多種音頻編解碼算法及其API函數庫，即SACM-LIB該庫將A/D、編碼、解碼、存儲 及D/A做成相應的模塊，對于每個模塊都有其使用程序接口 API，設計人員只須了解每 個模塊所要實現的功能及其參數的內容，然后調用該 API函數即可實現相應功能。其 中凌陽壓縮算法中SACM_A2000SACM_S4和SACM_S24主要是用來放音，可用于語音 提示，SPCE061為音頻輸

28、出提供兩個DAC1道：DAC和DAC2分別由經由DAC和DAC2 引腳輸出。DAC勺輸出范圍從0x0000到0xFFFF如果DAC勺輸出數據被處理成PCI數據， 必須讓DA輸出數據的直流電位保持為0x8000，且僅有高10位的數據有作用。DAC和 DAC2勺輸出數據應寫入P_DAC1寫) ($7017)和P_DAC2寫) ($7016)單元。本設計采用 DAC輸出。5系統調試61板上配有凌陽的自行研發設計的16位單片機開發環境IDE。此工具在Windowj環境 下操作，支持標準C語言和匯編語言，集編譯、編程、鏈接、調試和仿真于一體，使 用方便簡單易學。同時還提供大量的編程函數庫，大大加快了軟件

29、開發的進程。集成 開發環境IDE具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使編 程、調試工作方便且高效。此外，它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模 擬硬件的各項功能來調試程序。SPCE061片內集成了一個ICE （在線仿真電路）接口，使得對該芯片的編程、仿 真都變得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件資源，結合凌陽科技提供的集成 開發環境（卩'nSPIDE）用戶可以利用它對芯片進行真實的仿真；而程序的下載（燒 寫）也是通過該接口進行下載。 步驟一：根據電路連接示意圖連接硬件，并連接下載線（Probe）。步驟二：打開電源。步驟三：啟動u' nSP IDE。打開語音控制系統使用程序，編譯、鏈接確認沒有錯誤 步驟四：下載程序代碼到 61 板上。步驟五：運行程序。結語基于SPCE061的 16位特性、DS功能以及快速的處理能力，使得該系統的數據采 集和運算處理十分的方便簡單，另外由于IDE支持標準的C語言函數庫，使得復雜的數 學運算變得輕而易舉，大大減小了編程的難度。另外采用VC實現上下位機相互通信，在上位機可以直接顯示溫度的變化曲線，直接觀察控制的性能，并根據曲線適當的修 改系統的PID參數，使控制達到最優