基于PID算法的炉温控制系统

1、 电气工程与自动化学院项目驱动实践报告（自动控制原理项目实践）题 目：基于pid算法炉温控制系统专业班级：自动化学 号：学生姓名：指导老师： 2012年12月27日2摘 要在控制系统中，温度控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟pid控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟pid控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟pid控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字

2、pid技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟pid所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。为了实现高精度的电炉温度控制，本文介绍了一种基于lpc1114为控制核心、三极管s8050为温度测量原件、以数字pid算法控制以及pid参数整定相结合的控制方法来实现的电炉温度控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、控制算法建模的确定、各部份电路及软件的设计。lpc1114完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统的特点：电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等。该电炉温度控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从电炉温度检测、信号处理、输入

3、、运算到输出控制电炉加热功率以实现电炉温度控制的全过程。本设计实现了电炉温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。设计采样使用的是lpc1114特有的ad采样功能，显示模块以tinyhmi为核心的数字显示及上位机的波形显示，通过控制晶闸管bt131控制电炉加热，电炉为对象的控制。在matlab里仿真建模，实现良好的pid控制。关键词：数字pid；lpc1114；电炉温度；ad采样；上位机；matlab目 录摘 要1目 录i第一章 绪论11.1课题背景及研究意义11.2国内外在该方向研究现

4、状与分析21.3课题概述21.4设计要求与技术指标21.5基本功能及扩展要求31.6章节安排3第二章 系统设计原理及方案比较42.1整体设计思路42.2方案比较42.2.1主控mcu方案42.2.2温度控制算法方案52.2.3人机界面方案72.2.4温度测量方案72.4系统pid建模原理92.5上位机原理122.6本章小结14第三章 硬件设计153.1硬件总体设计及框图153.2 cortex-m0简介及电路153.3外部电路设计173.3.1键盘和显示电路设计183.3.2测温电路设计193.2.3电炉控制电路设计193.4电源设计203.5 a/d转换213.6本章小结22第四章 开发软件

5、简介及软件设计234.1硬件开发软件介绍234.1.1 altium designer 09234.1.2 pcb的绘制过程234.2编程环境介绍244.2.1系统程序设计环境介绍244.2.2上位机编程环境介绍254.3仿真软件matlab介绍254.4软件总体框图274.5本章小结28第五章 系统实现295.1硬件实现295.1.1系统pcb板设计295.1.2系统硬件调试295.2软件实现295.2.1上位机实现295.2.2系统程序实现305.3 系统pid建模345.4系统matlab仿真375.5联机调试385.6实现效果395.6.1显示界面设计实现效果395.6.2上位机界面设

6、计实现效果395.5.3总体实现效果405.7本章小结41第六章 总结与展望426.1本课题工作总结426.2工作展望42致谢43参考文献44附录iii第一章 绪论1.1课题背景及研究意义自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经

7、十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的pid控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成

8、形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文主要介绍lpc1114温度控制系统的软件设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控

9、制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取nxp公司提供的一款新产品cortex-m0系列的lpc1114芯片作为该控制系统的核心。温度信号由普通三极管s8050和电压放大电路提供。通过pid算法实现对电炉功率和水温控制。使用晶闸管bt131作执行部件。系统控制对象为电炉。电炉内水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。因此系统控制部分程序设计在tkstudio集成开发环境中编辑、编译、链接、调试以及仿真的。使用软件编程既减少了系

10、统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性，避免了因个人设计经验不足而产生过多的系统缺陷。1.2国内外在该方向研究现状与分析目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的pid控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自

11、适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。1.3课题概述本文主要介绍基于lpc1114温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以lpc1114为cpu，温度信号由普通三极管s8050和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温

12、漂移高精度运算放大器lm324将温度-电压信号进行放大，用lpc1114控制晶闸管bt131的通断时间以控制电炉的电源通断从而控制水温，系统控制对象为电炉。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性与较小的超调。1.4设计要求与技术指标该系统为一实验系统，系统设计任务：设计一个水温自动控制系统，控制对象为电炉，里面有加热功能。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求：温度设定范围为2070。 环境温度降低时温度控制的静态误差0.5。采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40提高到60）时，

13、减小系统的调节时间和超调量。用十进制数码管显示水的实际温度。设计一个上位机，通过上位机显示温度的变化曲线。在设定温度发生突变时，温度能达到指定温度并维持指定温度。1.5基本功能及扩展要求基本功能：利用普通三极管s8050作为测量温度器件，测量温度并显示温度。显示十进制数的温度值。通过上位机显示温度变化曲线。用户可以通过人机界面调节温度的大小（范围2070），并可以通过加热器件改变水的温度。扩展功能：使用数字pid控制温度的变化。使温度的精度精确到0.1。1.6章节安排本章对课题研发的大环境和课题研发要求及需实现功能做一个陈述，第二章是系统方案的比较选择，第三章是课题的硬件设计，第四章是课题的开

14、发软件设计，第五章为系统的硬件和软件实现及其效果。第二章 系统设计原理及方案比较2.1整体设计思路水温控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图2-1所示。+控制器执行器被控对象测送变量给定值被控参数图2-1 控制框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们

15、选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。2.2方案比较在设计过程中，每一个环节的实现都有很多种方法，但是在设计时要选择合适、最优、简单的方法来实现。因此，在设计过程中要选择好设计方案，并选取合适的器件来实现系统设计。下面介绍在本设计中各环节的方案选择。2.2.1主控mcu方案方案一：基于p89v51rd2单片机p89v51rd2单片机是一款增强型8051微控制器，包含16kb flash和1204字节的数据ram。p89v51rd2单片机的典型特性是它的x2方式选项。利用该特性，设计师可使用应用程序以传统的8051时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或x2方

16、式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择x2方式可在相同的时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰。在系统编程（isp）中flash程序存储器支持和串行。并行编程方式提供了高速的分组编程方式，可节省编程成本和上市时间。isp允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了isp的范围应用。方案二：基于lpc1114lpc1114处理器，是市场上现有的最小，能耗最低的arm处理器。其处理能耗非常低。门数量少，代码密度高，使得mcu开发人员能够以8位处理器的价格，获得32位处理器的处理性能。超

17、低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及mcu应用中，可见明显节约系统成本。mcu方案选择：将两个方案一比较便可得出一个结论，p89v51rd2单片机和lpc1114都具有其优势。但是lpc1114自带ad采样功能，而p89v51rd2单片机没有此功能，考虑到使用单片需要另外设计ad转换电路，还有节约成本考虑使用lpc1114是必然的选择。2.2.2温度控制算法方案温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对温度进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的pid调节器、智能控制pid调节器、自适应控制等。此

18、处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。方案一：开环控制开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高，响应时间相对来说很长，精确度不高，使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。控制器被控对象输出输入在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路，其结构通路见图2-2反馈控制系统。图2-2 开环控制系统的结构因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。

19、控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。开环控制系统主要是用于增强型的系统。方案二：闭环pid控制pid在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以pid为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有pid结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，pid在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图2-3所。由图可知pid调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差kpkdki+u被控对象实际输出值y给定值we图2-3

20、 pid调节器 (1)并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为： （2）其中-为调节器的比例放大系数-为积分时间常数-为微分时间常数pid调节器的离散化表达式为： (3)其增量表达形式为： (4) (5)其中t为采样周期。可见温度pid调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。常见的pid有p控制: （6）pi控制: （7）pd控制: （8）pid控制: （9）在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下

21、,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护. 常规pid控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用pid控制，控制效果的好坏很大程度上取决于pid三个控制参数的确定。对一个控制系统而言，只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。温度控制算法方案选择：将两个方案一比较便可得出一个结论，开环控制和闭环pid控制都具有其优势。但是对于炉温这样的滞后环节的系统来说，采用开环控制，控制极为不准确，因为电炉温度的滞后，而开环控制将产生严重的温度偏移，是温度严重偏离所给定的温度。而闭环控制将大大改善这种情况，因此采用闭环pi

22、d控制是此次设计的必然选择。2.2.3人机界面方案现有的人机交换有tinyhmi和动态数码管显示矩阵键盘板，tinyhmi采用74hc595芯片，可以使用lpc1114f的spi功能，因此采用tinyhmi作为人机交换模块，用来显示当前温度值。为了得到温度变化曲线，采用上位机。采用串口通信，mcu跟pc通信经常用到的一种通信方式，做界面、写上位机程序的编程语言、编译环境等不少，vb、c#、labview等等。两个方案相结合，一个用来观察当前温度值，另一个用来显示温度变化曲线。2.2.4温度测量方案现有测温器件有ds18b20和普通三极管s8050。(1) ds18b20简介ds18b20数字温

23、度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有ltm8877，ltm8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的ds18b20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 ds18b20的技术性能如下： 独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。 支持多点组网

24、功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 工作电源: 35v/dc 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以912位数字量方式串行传送 不锈钢保护管直径 6 适用于dn1525, dn40dn250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 标准安装螺纹 m10x1, m12x1.5, g1/2”任选 pvc电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。ds18b20的主要应用范围如下： 该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域 轴瓦，缸体，纺机，空调，等

25、狭小空间工业设备测温和控制。 汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。 供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制（2）三极管s8050简介s8050实物如图2-4所示。图2-4 s8050实物图引脚说明：1：emitter 发射极2：base基极3：collector集电极器件说明：类型：npn耗散功率：0.625w（贴片：0.3w）集电极电流：0.5a基极电压：40v发射极击穿电压：25v发射极饱和电压：0.6v特征频率f ：最小150mh 随着温度的升高，三极管的pn节特性曲线将向左偏移，即导通电压降低，通过这个特性，测量三极管两端电压变化情况，即可测定温度变化情

26、况。温度测量方案选择：通过比较，可以发现ds18b20测温更具优势，但在此设计中不需要用到ds18b20那么好的特性，三极管s8050足以满足测温需要，因此在此选择三极管s8050作为测温元件。2.4系统pid建模原理在这里建模主要是通过响应曲线来建模的，下面介绍一下响应曲线建模方法。 在被控对象上人为地加入非周期信号，测量其响应曲线，然后再根据响应曲线，计算出被控对象的传递函数。响应曲线简化如图2-5所示图2-5 响应曲线简化一般的建模结构有： (10) (11) (12) (13)1. 无滞后一阶惯性环节的参数确定模型形式为： (14)放大系数： (15) 时间常数：切线法，如图2-6所示

27、。图2-6 无滞后一阶惯性环节切线法曲线响应曲线上升到稳态值的63.2%时所经历的时间。2. 一阶纯滞后惯性环节的参数确定模型形式为： (16)放大系数和式(15)相同。时间常数与纯延迟时间：切线法，如图2-7所示。图2-7 一阶纯滞后惯性环节切线法曲线两点法计算。算法思想：用响应曲线上的两点去拟合模型表达式。如果模型形式为： (17)那么，当时。 (18)将曲线上两点的值代入上式，得到含有未知数t和的两个表达式。图2-8 两点法计算 (19)两点的选取要满足：代表曲线特征、计算方便。为此取：得到对应的、，代入前式得： (20)如果阶跃响应曲线如图2-9坐标系中形式，可以将纵坐标右移至 处，在

28、坐标系中利用上述两点计算法进行建模，最后模型的纯延迟时间。图2-9 阶跃响应曲线2.5上位机原理上位机是一台可以发出特定操控命令的计算机，通过操作预先设定好的命令，将命令传递给下位机，通过下位机来控制设备完成各项操作（应用最多的地方如：工业、水利、供电部门、交通等方面）。上位机都有特定的编程，有专门的开发系统，或以上是已经规定好任务，只能按特定的任务进行操作。简单说上位机就是命令的下达者，而下位机则是命令的执行者。上位机在系统中的位置：处于网络层中，与嵌入式网关通过网线相连。实际应用时是放置在实验室的老师工作台上，供实验室的老师使用。上位机的功能：此软件实时监视实验实中每个实验台的状况，包括上

29、电或断电状态，实验台是否发出了警告，是否发出了求助信号，并对这些信号做出应答，还控制led屏的文字显示。上位机的设计实现：此软件主要有两部分组成，数据收发部分和显示部分。数据收发指的是和嵌入式网关的数据收发。两者是通过网线连接的，所以应用的是tcp/ip的socket套接字编程，嵌入式网关的设计中已经提到过，它在和上位机通信中是作为服务器的，那么上位机就是作为连接发起方。为了能保证网络连接的稳定性，我们把socket读写的程序代码放在了try、catch() 块中，一旦网络连接不正常，就会捕获到该异常，从而关闭程序。另外数据收发还需要协议，和嵌入式网关通信的指令和协议定制如下： 表2-1 上位

30、机与嵌入式网关的通信指令由上位机发起嵌入式网关接收的指令ask_state0x80由上位机主动发起led_display0x04+asc码由上位机主动发起get_warning0x20有上位机回复get_help0x30有上位机回复由嵌入式网关发起上位机接收的指令abnormal0xff由上位机被动接收并显示warning0x08由上位机被动接收并显示need_help0x10由上位机被动接收并显示power_on0x01由上位机被动接收并显示power_off0x00由上位机被动接收并显示因此数据量较少，协议也就比较简单，此协议在发送接收时用ppp封装。表2-2 上位机与嵌入式网关的通信协议

31、帧格式0x7e长度实验台号命令内容加和校验0x7e1字节1字节2字节n字节1字节1 字节 显示部分使用c#编写的运行于windows .net framework 上的窗体应用程序，根据实际需求，对每个实验台状态的显示使用listview控件实现，当出现异常情况，或实验台出现警告、求助信号时，listview的相应字段文字会通过改变颜色来提醒监视人员，监视人员还可以通过一个文字发送窗体来向led屏发送要显示的文字。总之界面清晰直观，简便易用。2.6本章小结本章先是对系统的整体框架进行的一个概述，对几个大的模块做一个方案的比较选择：显示模块、控制模块、通信模块等，分析比较得出mcu选择lpc11

32、14方案更有优势，控制使用pid，测温使用s8050。第三章 硬件设计3.1硬件总体设计及框图本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现温度的自动测量和控制，本系统采用了lpc1114作为系统的控制中心，由数据采集模块检测到的温度信号传入lpc1114，并根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，通过软件对所测电压进行数字非线性校正，同时由显示器进行实时显示。根据系统程序控制，进行pid运算以及输出控制，最终由cpu控制加热回路bt131的通断，达到调功的目的。系统还提供了键盘设定模块，便于用户与系统之间的对话。系统的硬件结构较简单，由若干个功能模块组成。

33、具体结构图及说明如下图3-1所示：lpc1114温度测量器件s8050数据处理串口通信晶闸管加热温度显示上位机图3-1 控制设计总体框图数据采样：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，送入lpc1114相应接口中，经过lpc1114内部的ad采样，换算成温度值，用于显示。 数据显示：采用了共阴极数码管tinyhmi进行显示设置温度与测量温度。串行口传输：将lpc1114与电脑通信热电炉：通过控制晶闸管的通断开关来完成对热电炉的功率控制。3.2 cortex-m0简介及电路cortex-m0处理器，是市场上现有的最小，能耗最低的arm处理器。该处理能耗非常低，门数量少，代码密度高，使得m

34、cu开发人员能够以8位处理器的价位，获得32位处理器的性能。超低门数还是得其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及mcu应用中，可见明显节约系统成本。m0内核特点： cortex-m0内核，运行速度高达50mhz； 内置嵌套向量中断控制器（nvic）； 单周期的硬件乘法器，运行速度超快，一条乘法语句只需要2个字节的命令、一个周期内完成基于arm7tdmi的16位thumb指令系统，0.9dmips/mhz，代码密度相当高，不用担心存储空间不够的问题； 仅56条指令，且指令执行时间都是确定的； 完成8、16、或32位的数据传输只需一条指令； 最高配置8kb片内sram； 在系统编程（isp）和在应

35、用编程（iap）可通过片内引导装载程序软件来实现； 唯一的id，每个芯片都有唯一的id标识符，芯片保密性更高； 超低功耗，15ua/mhz；串行接口包括： 可产生小数波特率、具有调制调解器、内部fifo和支持rs-485/eia-485标准的uart； ssp控制器，带fifo和多协议功能（仅在lqfp48和plcc44封装中有两路ssp）； i2c总线接口，完全支持i2c总线规范和快速模式，数据速率为1mbit/s，具有多个地址识别功能和监控； 多达42个通用i/o（gpio）引脚，带可配置的上拉/下拉电阻。 i2c总线引脚在fm+模式下可支持20ma的灌电流； 4个通用定时/计数器，共有4

36、路捕获输入和13路匹配输出； 可编程的看门狗定时器（wdt）； 系统节拍定时器； 带有swd调试功能，两线实现在线仿真，缩短开发周期； 具有三种低功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉电模式； 10位adc，在8个引脚中实现输入多路复用； gpio均可以配置为边沿或电平中断（最多42个外部中断）； 12mhz内部rc振荡器可调节到1%的精度，可将其选择为系统时钟；m0原理图如图所示：lpc1114需要有外围结构部分才能更好的利于使用，周立功公司为本芯片设计的外围结构电路如图3-2所示。图3-2 tinym0结构框架原理图tinym0是lpc1114的外围结构电路，它引出来的引脚图如图3-3所

37、示。 图3-3 m0外接引脚图3.3外部电路设计 由总体框图可以看到，整个系统的设计都离不开lpc1114的输入/输出接口。在lpc1114中，i/o口就是m0与外设交换信息的主要通道。输入端口从外界接收检测的输入信号、键盘信号等各种开关量信号；输出端口向外部输出处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。lpc1114内部有并行和串行两种方式的i/o口。两个16位通用的并行i/o端口即a口和b口，这两个口的每一位都可通过编程单独定义为输入或输出口，通常对某一位的设定包括三个基本项：数据向量data、属性向量attribution和方向控制向量direction，三个向量的每个对应位组合在一起形

38、成一个控制字，用来定义相应i/o口位的输入、输出状态和工作方式。a口的ioa0ioa7用作输入口时具有唤醒功能，常用于键盘输入。b口除常规的输入输出功能外，还具有特殊功能。比如后面串行通信用到的iob7口和iob10口，它们在此电路中就充当的是串行数据的接收和发送端口。具体的用法将在后面的电路设计中用到。3.3.1键盘和显示电路设计图3-4是tinyhmi实物图，是本次实践用到的显示和调节模块。图3-4 tinyhmi实物图tinyhmi内部原理图如图3-5所示所示，主要由74hc595、数码管、按键组成，它充分利用了74hc595的功能，使得本次设计显示模块大大减少了程序内容。也使得模块精简

39、化，以下是显示模块的接线方法。 p2.2 按键引脚 key p0.1 键盘板的rck片选引脚 p0.6 键盘板的sck时钟引脚 p0.9 键盘板的data数据引脚 图3-5 tinyhmi内部结构系统上电后，数码管显示设置温度和测量温度，通过软件来控制电炉的开关。3.3.2测温电路设计测温原理是把三极管放入水中，给水加热时，三极管pn节两端电压变化，从而三极管两端电压发生改变，通过把三级管两端微小的电压放大，从而得到水温的变化。具体实现是将三极管放入加热的水中，三极管电压变化，使用运算放大器将电压变化放大，通过lpc1114的ad采样功能获取电压的变化，通过关系运算得到当前水温。测温电路原理图

40、如图3-6所示。图3-6 测温电路原理图3.2.3电炉控制电路设计此部份用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，此处被控对象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用晶闸管bt131，晶闸管bt131属于半控型器件，所以较小的驱动功率即可使晶闸管bt131工作。它的使用非常简单，只要在控制台端加上给晶闸管bt131加上正向电压并且在门极加上触发脉冲即可使晶闸管bt131导通，即可实现让电炉加热电源的通断。图3-7为通过lpc1114发出pwm波形控制三极管的导通，从而控制右端光耦的导通，晶闸管bt131

41、门极加上了触发脉冲，电炉中有电流通过，电炉加热。为使其实现过零控制，就是要实现工频电压的过零检测，并给出脉冲信号，由lpc1114控制双向可控硅过零脉冲数目。当在其输入端加入（撤离）控制信号时，输出端接通（断开），从而控制电炉与电源的通断，来达到加热或冷却炉丝的目的，最终实现使碗中水温度稳定在设定值上。过零控制方式ssr工作波形如图3-8所示。图3-7 电炉控制原理图图3-8 过零控制方式波形3.4电源设计电路工作需要提供的电压为35v，为了达到要求又不使电压过大，在此采用7805做电源 ，其电路原理图如图3-14所示，在cn4接12v交流变压器，经过桥式整流，经过电容滤波和7805变压，输出

42、电压即为5v直流电压。d5为工作指示灯，接上电源d7亮，表示在工作。电源原理图如图3-9所示。 图3-9 电源原理图3.5 a/d转换（1）概述： lpc1100系列cortex-m0微处理器a/d转换器的基本时钟由apb时钟提供。a/d转换器包含一个可编程的分频器，它可以将apb时钟调整为逐次逼近转换所需的时钟（最大可达4.5mhz，并且完全满足精度要求的转换需要11个这样的时钟）。特性：10位逐次逼近式模数转换器；在8个管脚间实现输入多路复用；掉电模式；测量范围：03.6v，不超出vdd(3.3v)的电压；10位转换时间2.44s；一个或多个输入的突发转换模式；可选择由输入跳变或定时器匹配

43、信号触发转换；每个a/d通道的独立结果寄存器减少了中断开销；（2）adc转换时钟分频值计算：（3）引脚描述：adc各相关引脚的描述见表3-1表3-1 adc管脚描述管脚名 称 ad0 ad1 ad2 ad3 ad4 ad5 ad6 ad73.3vcpu引脚p0.11p1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.10p1.11若要通过监控的管脚获得准确的电压读数，必须事先通过iocon寄存器选用adc功能。对于作为adc输入的管脚来说，在选用数字功能的情况下仍能获得adc读取值的情况是不可能存在的。在选用数字功能的情况下，内部电路会切断该管脚与adc硬件的连接。（4） 时钟供应和功率控制系统时钟

44、负责向adc以及可编程adc时钟分频器提供外部时钟信号。可通过ahbclkctrl寄存器的位13来禁能该时钟信号，从而达到节省功耗的目的。通过pdruncfg寄存器可以在运行的时候使adc下电。a/d转换器的基本时钟信号供应取决于apb时钟（pclk）。每个转换器都带有一个可编程的分频器，可对时钟频率进行分频以便使频率达到逐次逼近过程所需的4.5mhz（最大值）。一次准确的转换需要占用11个时钟周期。（5） 基本操作一旦adc转换开始，就不能被中断。若前一个转换未结束，软件新写入就不能发起新的转换，新的边沿触发事件也会被忽略。硬件触发转换如果ad0cr中的burst位为0且start字段的值包

45、含在010-111之间，则当所选管脚或定时器匹配的信号发生跳变时，a/d转换器将启动一次转换。时钟产生用于产生a/d转换时钟的分频器在a/d转换器空闲时保持复位状态（不产生采样时钟信号），这样就可以节省功率。只有在启动a/d转换器时，才会启动采样时钟。例如，向ad0cr的start字段写入001，将立即启动采样时钟。该特性可以节省功率，尤其适用于a/d转换不频繁的场合。中断通过设置nvic中的a/d中断使能位和ad0inten寄存器，可以控制a/d中断是否使能。a/d中断被使能之后，一旦a/d通道中的任意一个done标志位为1，adint就置位，中断请求就会被提交到nvic。精度和引脚设置当a

46、/d转换器用来测量ain脚的电压时，并不理会引脚在引脚选择寄存器中的设置，但是通过选择ad功能(即禁能引脚的数字功能)，可以提高转换精度。3.6本章小结本章主要讲述了硬件的设计过程，主要包括外部电路设计，测温电路设计，电炉控制电路设计，电源的设计。硬件实物图如图3-10所示。图3-10 硬件实物图第四章 开发软件简介及软件设计4.1硬件开发软件介绍4.1.1 altium designer 09altium designer 09 是设计电路板时用的电路绘图设计软件，它不仅可以绘制电路原理图，导入自动绘制上面pcb图，还可以对电路图进行仿真。下面介绍一下它的用法：1） 打开软件，选择菜单栏文件

47、，建立一个新的工程；2） 在次选择菜单项中的文件，建立一个新的原理图，并把这个原理图添加到新建的工程中；3） 打开新建的原理图，点击右下方的system，选择其中的库子菜单，查找自己所需要的元器件，拖到原理图中；4） 选好元器件后，排好元器件，修改好元器件中的值后，分好模块，进行元器件之间的连线。原理图中的规范：在进行原理图的绘制过程中要注意它的一定规范，否则你画的也是一个失败品。其规范为： 文字要排列整齐； 布局要合理，元器件要对齐，不能太过紧凑，太过松散； 元器件之间的线条尽量直接，少出现曲折； 在选择元器件时要注意元器件的封装是否正确；4.1.2 pcb的绘制过程绘制好原理图以后，点击菜

48、单栏中的新建子菜单，新建一个pcb，并且把它加入和原理图同一个工程中，建好后绘制步骤为：1） 按照设计要求，在禁止布线层“keep-out-layer”画一个框；2） 把原理图导入pcb中，可以在原理图中点击设计中的update pcb document或者点击pcb中的import changes from；3） 原理图导入pcb后，可以先把四个支架孔画好；4） 画好了以后，开始排布元器件，你可以参照原理图来排列。这时还要设置好布线规则，方便以后的布线；5） 放置好元器件后，把丝印排好；6） 最后再进行画线。 pcb的绘制规范： 插装元件在顶层，贴片元件和走线在底层，做双面板时顶层也可以布线

49、； 导线宽度要注意，太细了有时候做不出来，太粗了不好看，线宽一般为1525mil，电源线和地线要稍微宽点； 元器件之间的距离要参考实际大小保证元器件顺利焊接； 丝印层的字大小要统一，并且方向最多为两个方向，太多过于杂乱； 布局要符合实际情况，显示部分要放在上面有利查看； 画线时要注意不要出现锐角，这时你可以选择倒角来消除这种情况； 有贴片的要注意只能按l镜像，不能按“x”或“y”进行翻转；4.2编程环境介绍4.2.1系统程序设计环境介绍程序设计是在tkstudio v4.0平台上进行开发的。tkstudio集成开发环境是广州致远电子股份有限公司开发的一个嵌入式芯片级、系统级软件开发平台，是一款

50、内置强大编辑器的多内核编译调试环境，支持keilc51、sdcc、gccarm、ads、iararm、mdk、rvds、gccavr、windriver ccore、ccoregcc remotegcc等编译工具链，支持8051、arm7/arm9/arm11、cortexm3/cortexm0、xscale、avr、ccore等内核调试，支持linux bootloader、linux内核、linux内核模块、linux应用程序等的调试。可以完成从工程建立和管理，编译，链接，目标代码的生成，到软件仿真，硬件仿真（挂接tks系列仿真器的硬件）等完整的开发流程。tkstudio v4.0加入了l

51、inux调试的支持，包括bootloader调试、linux内核调试、linux内核模块调试和linux应用程序调试，直接通过tkscope系列仿真器进行调试，摒弃了传统的通过kdb、kgbd等补丁进行调试的方式，支持从现有的调试文件直接进行调试，自动创建源代码树，编辑、编译、下载、调试一体化、其操作界面如图4-1所示。图4-1 tkstudio编程环境4.2.2上位机编程环境介绍上位机软件设计使用的是visual c+ 6.0。visual c+ 6.0，简称vc或者vc6.0，是微软推出的一款c+编译器，将“高级语言”翻译为“机器语言（低级语言）”的程序。visual c+是一个功能强大的

52、可视化软件开发工具。自1993年microsoft公司推出visual c+1.0后，随着其新版本的不断问世，visual c+已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了 visual c+.net(visual c+7.0)，但它的应用有很大的局限性，只适用于windows 2000、windows xp和windows nt4.0。所以实际中，更多的是以visual c+6.0为平台。 visual c+ 6.0特色visual c+6.0由microsoft开发, 它不仅是一个c+ 编译器，而且是一个基于windows操作系统的可视化集成开发环境（integrated development environment，ide）。visual c+6.0由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导appwizard、类向导class wizard等开发工具。 这些组件通过一个名为developer studio的组件集成为和谐的开发环境。microsoft的主力软件产品。visual c+是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年microsoft公司推出visual c+1.0后，随着其新版本的不断问世，visual c+已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了visual c+.net(visual c+7.0)，但它的应用的