多功能水温控制系统-硬件设计

1、多功能水温控制系统硬件设计文 摘 本文主要介绍了利用单片机实现温度控制系统的设计过程，在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一新款产品SPCE061A芯片作为该控制系统的核心。由PT1000和电压放大电路提供温度信号,通过PID算法实现对电炉功率和水温控制，使用SSR固态继电器作执行部件，使系统静态误差降低到最小。本次设计还充分利用了SPCE061A单片成熟的语音处理技术(具有较高的处理速度,能够快速地处理较复杂的数字信号)和PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。全文的内容主要包括：水温控制系统的方案设计与论证，系统整体电路、部分电路的设计，以及SPCE061A单片

2、机的特点、性能、结构、开发、应用、语音处理技术，继电器的介绍及串行通信简介等。 关键词 SPCE061A单片机；Pt1000； SSR本课题为第三届全国大学生电子竞赛题。该课题要求设计一个水温控制系统，对象为1升净水，加热器为1千瓦电热炉。要求能在40摄氏度至90摄氏度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，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

3、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，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，即是说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备。温度

4、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。由于温度控制具有工况复杂、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。 本文以对象为1升净水，容器为搪瓷器皿的温度控制系统的设计过程为主，介绍了利用单片机实现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控制算法的选择、和整体电路的设计以及部分电路的设计。在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一新款产品SPCE061A芯片作为该控制系统的核心，温度信号由PT1000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SSR固态继电器

5、作执行部件。系统设计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；能在40摄氏度至90摄氏度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2摄氏度；具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。本文充分利用了SPCE061A单片成熟的语音处理技术(具有较高的处理速度,能够快速地处理较复杂的数字信号)和PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。1 方案设计与论证 分析题目 本文要求设计制作一个水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿，水温可以在范围内由人工设定，并能在环境温度降低时，实现自动调整，以

6、保持设定温度基本不变。静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。题目对控制温度要求较高，对调节时间和超调量也有要求，因而必须要用释放的控制算法，另外，还需要显示水温和打印水温变化曲线等。1.1 总体方案设计经过题目的分析，根据题目要求，现提出以下三种设计方案。 方案一 （框图如图1）图1 一位式模拟控制方案框图此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环

7、境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示，难以用键盘设定。方案2 （框图如图2）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使精度做得较高，而且仍难以用数码管显示与键盘设定。图2 二位式模拟控制方案框图方案3 （框图如图3）图3 单片机控制方案框图 此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值，并可实现打印功能。本方案可选用SPCE061A单片机（内部含有KB的

8、EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构更为简单。方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可方便实现数码显示、打印、键盘设定、报警系统所测结果精度大大提高，故经过对三种方案的比较论证，本设计采用方案三，利用单片机安一定的控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，以次控制电炉的功率，从而实现对水温的控制。1.2 关键部分设计该系统设计的关键部分是核心部件单片机控制算法和测温部分及功率驱动器

9、件，需要首先确定，这些确定好了，整个控制系统才能达到所预先估计的效果。 驱动控制部分 本系统是以单片机为控制核心的控制系统，因此单片机的选择尤其重要，根据系统需求，我们设计了两种方案。 方案一 此方案采用89C51单片机实现， MCS-51系列单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，该单片机的应用比较广泛，因为其软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是89C51本电路中因为有温度数据采样，所以就需外接模数转换器来满足数据采样，这就要求针对系统的需求，选择合适的A/D器件，还要根据所选的A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路和编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序

10、，这些大大加大了工作量。若要增加语音播报功能，还需要外接语音芯片及接口，加繁了外围电路设备，实现比较复杂。此外51单片机内部无在线仿真、编程接口，因此就需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。 方案二 此方案采用SPCE061A单片机实现。SPCE061A单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点外，内置8路ADC，2路DAC。在实现控制系统中，采用SPCE061A为前端采集单元，具有较好的同步性和实时性。而且SPCE061A单片机内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，集成开发环境中，配有很多语音播报系数，实现语音播报极为方便，另外，比较方便的是该

11、芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。方案比较及选择:对两个方案进行比较，SPCE061A本身的内部结构决定了其内在特性比89C51的特性更加优越，实现起本文所有的要求更加方便，硬件设计也更加简单。故本设计选用SPCE061单片机。 测量部分 任何温控制系统首先要采用温度传感器将温度转化为电信号，因此测温传感器的选择是系统设计必不可少的考虑问题。本系统的温度传感器我们设计了两种方案。方案一 用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准备率低，重复性也较多,其阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性十分严重，实际应用中要

12、进行线性化处理比较复杂,对于检测小于1摄氏度的信号不使用。方案二 采用温度传感器铂电阻Pt1000，由于铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定,价格又便宜，常用作工业测量元件。以铂电阻温度计作基准器，此元件线性较好，在0100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。 铂热电阻与温度关系式为：Rt=R0（1+At+Bt*t）其中：Rt：温度为t摄氏度时的电阻；R0：温度为0摄氏度时的电阻；T：任意温度；A、B：温度系数 A=3.94*102/ B=-5.84*10-7/ 经过比较最终我们选择铂电阻Pt1000做为本系统的温度传感器。 控制算法确定控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过

13、程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。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。因此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。 （1）模糊控制 模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。目前FLC已经成功地应用与

14、各种温度控制上。 模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。 模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊

15、控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制对象。缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实际实现比较困难。 （2）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。PID具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。其调节规律

16、是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。图4 PID控制框图 PID调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节作用：PID调节器其动态方程为：u(t)= Kpe(t) + Kie(t)dt + Kdde(t)/dt 其中Kp-为调节器的比例放大系数 Ki-为积分时间常数 Kd-为微分时间常数PID调节器的离散化表达式为：U(k)=Kpe(k)+KiT e(k)+ K d/Te(k)-e(k-1)其增量表达形式为：u(k)=u(k)-u(k-1) =Kpe(k)-e(k-1)+kiTe(k)+ K d/Te(k)-2k(k-1

17、)+e(k-2)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。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。 采用PID控制其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上用软件较易实现，可以达到较小的静态误差，但必须仔细调整控制参数，才能获得较好的效果。因题目对静态误差要求

18、较高，故采用PID控制。参数整定采用试凑法，在系统调试阶段完成。考虑到电炉对水进行加热有较大的滞后性，若采用单一的PID控制，难以兼顾调节时间和超调量，设定温度突变时，有可能产生振荡或调节时间过长。因此将控温过程分成两段，误差较大时用模糊控制，接近设定温度时改用PID控制。2 系统硬件设计该系统设计目的为一实验系统，其控制对象为1L净水，容器为搪陶瓷皿，加热器为1千瓦电热炉。系统设计要求：（1）温度在一定范围内可由人工设定，并能在环境温度降低（例如用电风扇降温）时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。 （2）温度设定范围为4090，最小区分度为1。静态控制精度为0.2摄氏度。 （3）能用十进

19、制数码管显示水的实际温度，并用语音播放水温设置温度。 （4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（如由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。 （5）在设定温度发生突变（如由40提高到60）时，能自动打印水温随时间变化的曲线。为实现系统设计要求，经过方案设计与论证,该系统采用了如下设计方案： （1）采用凌阳十六位SPCE061A型单片机实现温度控制，能使系统电路简单，可靠性高。 （2）由Pt1000和电压放大电路提供温度信号。（3）通过PID算法实现对电炉功率和水温控制。（4）利用凌阳十六位SPCE061A型单片机的特性来实现温度数字语音播报。（5）借助PC机图形处理功能进行温度变化曲线

20、的打印。2.1 水温控制系统硬件设计总体设计框图及说明 系统的硬件结构较简单，具体结构图如图5所示：图5 系统总体设计图 本系统使用1升净水作为控制对象，核心元件采用凌阳SPCE061A单片机，属于凌阳unSP系列产品的一个16位结构的微控制器。在存储器资源方面考虑到了用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，较高的处理速度使unSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。以Pt100热电阻为温度传感器，执行部分选择了SSR固态继电器来控制热电炉的通过功率。并有键盘设定、语音播放、数据显示、打印电路。具体说明如下：键盘设定：用于温度设定，共三个按键：KEY1、KEY2、KEY3。 数据采集

21、：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，送入SPCE061A相应接口中，经AD转换后，换算成温度值，用于播报和显示。 电源电路：提供给单片机各电源引脚电源。数据显示：采用三位八段数码管显示，设置温度与测量温度，显示小数点后1位数字。串行口传输：将采样温度值，上传至PC机，以利用PC的图形处理功能来描绘曲线并打印。 继电器/热电炉：通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。语音播报：语音播放水温设置温度，并播报整数温度变化。2.2 单片机系统单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是处理数据、系统管理及实现控制算法的处理器。由于我们采用了SPCE061A单

22、片机，其内部已经包含了32K字FLASH ROM和2K字2RAM，因此单片机的最小系统图仅由SPCEO61A组成。本系统采用SPCE061A芯片作为核心部件，SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个IO口，内置32K字闪存和2K字的静态存储器。用来实现水温控制资源足够使用。图6即为单片机的最小系统组成图，其接线比较简单，在OSC0、OSC1端接上晶振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其他不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。2.2.1 SPCE061A单片机概述 随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，

23、扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构,它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。 SPACE061A单片机内部结构如图7所示。其主要功能模块有并行I/O端口、数/模转换ADC、数/模转换DAC、存储器RAM&

24、FLASH、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、WatchDog、异步串行通信口UART、指令寄存器IR、设备串行口SIO、低电压检测LVD（低电压复位）等。 图6 单片机的最小系统图图7 SPACE061A模块结构图nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。 SPCE061A单片机的结构SPCE061A单片微控制器的内部结构图入图8所示：图8 SPCE061A单片微控制器的内部结

25、构图 SPCE061A单片机的特点极其主要性能 (1) nSP家族有以下特点： 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展 nSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。 具有较强的中断处理能力 nSP家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。 高性能价格比 nSP家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，nSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得n

26、SP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。 功能强、效率高的指令系统 nSP指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。 低功耗、低电压 nSP家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，nSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义. (2) SPCE061A单片机的主要性能 SPCE061A是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。具有体

27、积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，能够很方便地完成普通单片机的功能，尤其适应于语音播报和识别等应用领域。SPCE061A单片机的主要性能如下： 16位mnSP微处理器； 工作电压：VDD为2.43.6V(cpu), VDDH为2.45.5V(I/O)； CPU时钟：32768Hz49.152MHz ； 内置2K字SRAM、内置32K FLASH； 可编程音频处理； 32位通用可编程输入/输出端口； 32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；

28、 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能； 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA3.6V； 14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 具备异步、同步串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力以及

29、WatchDog功能（由具体型号决定）。 SPCE061A芯片的引脚排列和说明 目前SPCE061A有两种封装形式：一种为为80个引脚，LQFP80封装；另一种84个引脚，PLCC84封装形式。在本系统中我们用 PLCC84封装形式，它的排列如图9所示。图9 SPACE06APLCC84封装引脚排列图 在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。 此处以PLCC84封装管脚功能介绍，它共有84个引脚，各引脚功能表如表1所示。表1 管脚描述表管脚名称管脚功能IOA0IOA15 （4148，5360）I/OA口，

30、16个IOB0IOB15 （51，8176，6864）I/OB口，16个OSCI 13振荡器输入，采用石英振时，接晶振OSCO 12振荡器输出，采用石英振时，接晶振(续表1)RESB 6复位信号输入，低电平有效ICE_EN 16ICE使能端，接在线调试器PROBE的使能脚ICE_ENICE_CLK 17ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_CLKICE_SDA 18ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDA PVIN 20程序保密设定电源输入脚PFUSE 29程序保密设定输入脚DAC1 21音频输出通道1DAC2 22音频输出通道2VREF2 232V参考电压输出

31、脚AGC 25语音输入自动增益控制引脚OPI 26Microphone第二级运放输入脚MICOUT 27Microphone第一级运放输出脚MICN 28Microphone正向输入脚MICP 33Microphone负想输出脚VRT 35A/D转换参考电压输入脚VCM 34ADC参考电压输出脚VMIC 37Microphone电源SLEEP 63睡眠状态指示，即当CPU进入睡眠状态时，输出高电平VCP 8锁相环压控振荡器阻容输入端XROMT PVPP XTEST(61.69.14)出厂测试管脚，使用时悬空即可I/O电平参考电压输入端，当输入参考电压为5V/3.3V时，I/O输入、输出高电平为

32、5V/3.3VVDD 7锁相环PLL电源VSS 9锁相环PLL地VSS 19.24模拟信号地数字信号地VDD 15.36数字信号电源 SPCE061A 的开发与应用其可通过在线调试器PROBE 来实现。实际上,PROBE 既是一个编程器(即程序烧写器) ，又是一个实时在线调试器，它可在单片机应用项目的开发过程中替代常用的两种工具:硬件在线实时仿真器和程序烧写器，它利用了SPCE061 内置的在线仿真电路ICE( In - Circuit Emulator) 和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE 可工作于凌阳IDE 集成开发环境软件包下，其5 芯的仿真头可直接连接到目标电路板上SPCE061

33、 A 的相应管脚, 并可直接通过目标电路板上的CPU (SPCE061A)来调试并运行用户编制的程序，PROBE 的另一头是标准的25 针打印机接口, 可直接连接到计算机的打印口。它与上位机的通讯可在计算机IDE 集成开发环境软件包下完成。图10所示即为是计算机、PROBE、用户目标板三者之间在线调试时的外围连线接口电路。图10 用户目标版、PROBE、计算机三者之间的连接图 随着单片机功能集成的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及DSP等领域。SPCE061A可广泛用于如下领域： 家用电器控制器：冰箱、空调、洗衣机等白色家电 仪器仪表：数字仪表（有语音提示功能）

34、电表、水表、煤气表、暖气表 工业控制 智能家居控制器 通讯产品：多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品 医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等） 体育健身产品（跑步机等） 电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等 语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互式玩具等）2.3 部分外围电路设计及分析 键盘设置电路KEY1、KEY2、KEY3为SPCE061A单片机的扩展键，分别接IOA0、IOA1、IOA2口。图11 键盘电路图 KEY1:设置温度的十位数；0-9 KEY2:设置温度的个位数；09KEY3: 工作模式选择键，共有三种工作模式：正常工作状态、温度重新设置、语

35、音播报设置。系统电源开启后，数码管全部显示为零，根据按KEY1次数,十位的数码管依顺序逐次增加。同样KEY2,也如此。按KEY3后，系统开始测温，并与采集的温度进行比较，通过软件来控制电炉的开关。同时语音播报变化的整数值温度。 测温部分电路 测量温度传感器的选择是设计时首要考虑的问题，根据题目要求，需要进行常温区的温度测量。为了减少干扰，温度传感器选用Pt电阻，运放采用HT9274集成芯片。整个数据采集部分电路图如图12所示。该电路的工作原理为：随着电热炉的炉丝温度变化，水受其热温度发生变化，于是温度传感器Pt1000的阻值随水温的变化而变化，此信号变化通过测量放大器HT9274以及右测量放大

36、器组成的负反馈非线性补偿电路，把阻值的较小变化转化为1V5V的标准电压信号，既是将温度变化转变为电压变化。 Pt型铂热电阻的测温精度高、稳定性好，是-200+650温度范围内应用很广的一种电阻型温度传感器。Pt电阻在0摄氏度时，阻值为1千欧姆，在100摄氏度时，阻值为1380欧姆，则表示阻值变换从01380欧姆，电压从0V3.3V。 因为Pt电阻中电流基本为12mA,则Pt电阻电压就在0380mV波动。因此采用10倍电压放大。基本满足SPCE061A数模转换。图12 测温电路 HT9274集成四个运算放大器。由单电源供电，工作电压为1.6V5.5V。HT9274 利用标准 CMOS 制程，提供

37、与 LM324 、TL274 及 WT274 等相似产品完全兼容的接脚。 HT9274 为14pin DIP/SOP的包装，其低操作电压及稳定的质量特性，提供了完美的输出驱动能力。HT9274适用于低功率操作的应用，如电话局线界面、传感器放大器及一些电池操作的携带式电子产品。 采用差动运放，可以进行手动调节，定零点比较方便，较准确。此处通过可调分压电阻可以满足零点调节。零点调节方法：外接固定阻值1K欧姆，调节电位器输出电压为稳压二极管电压值。此处为1.2V。 继电器控制电路此电路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

38、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SSR固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制台端加上一TTL电平，即可实现对继电器的开关。 图13为通过三极管NPN8050来控制继电器的开关的。继电器采用的是带光电隔离的过零型双向可控硅AC-SSR固态继电器，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，由单片机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）。图13 继电器控制电路 即本电路的工作原理是：高电平导通，线圈有电，电池结构触点吸合；低电平断开，线圈无电，电池结构触点分离，线路断开。从而控制电炉与电源的通

39、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。本系统使用的固态继电器是整个控制系统的执行部件，在整个自动控制系统中起着举足轻重的作用，了解它的有关信息是相当必要的，下面将对固态继电器（SSR）的知识做个具体的认识。固态继电器（SSR）简介 1）继电器概述 随着科学技术的发展和工业化程度的提高,对广泛使用的继电器提出更高的要求,归纳如下: 高敏感度,高速响应 输入可以是传感器信号,输出为高压信号 从音频到高频的宽频带 高可靠性,长寿命 体积小,可进行表面安装(SMD) 多功能、静音化 机械式电磁继电器因为其结构的限制,不可能达到以上要求.固体继电器SSR是无触点的半导体型继

40、电器,这种继电器能较好地满足以上要求. 2）固态继电器简介固态继电器(SSR)是一种由固态电子器件组成的新型无触点开关器件.它利用分立元件、集成器件及微电子技术实现控制回路（输出）之间的电隔离和信号耦合。达到无触点、无火花接通和断开电路的目的，具有工作可靠、驱动功率小、开关速度快、使用寿命长、无噪音和抗干扰的特点。且能与CMOS、TTL、HTL等是胡子电路相兼容。因此，其应用领域十分广泛，诸如微机的I/O接口、防爆场合和自动控制领域等。3）固态继电器的类型和工作原理 固态继电器按负载电源类型分为交流型(AC-SSR)和直流型（DC-SSR）两种。当控制信号加入时。前者只能在交流电压的任意相位上

41、导通和关闭。按开关触点型式可分为常开式和常闭式。常开式固态继电器在其输入端加入控制信号时，输出端接通，而常闭式则相反。 AC-SSR为四端器件，两个输入端和两个输出端。 DC-SSR为五端器件，两个输入端，两个输出端和一个负端。输入和输出间采用光电隔离，没有电气联系。输入端仅要求很小的控制电源就能通过输出回路接通和分短负载电源。 随机导通型AC-SSR其内部结构如下图所示：图14 随机导通型AC-SSR结构图GD为光电耦合器，实现输入与输出之间的电气隔离。V1为放大器，R0和R1为分流电阻，分别用来保护V2和V3。R6和C组成。V1截止，V2导通，使V3获得触发脉冲而导通，负载接通。当输入信号

42、消除后，光耦截止，V1饱和导通并使V2截止，但此时V3仍保持导通。直到负载电流随外部电压减小到小于双向晶体管的维持电流为止。其基本原理框图和工作波形图如下图所示：图15 随机导通型AC-SSR基本原理框图和工作波形图 过零触发型AC-SSR其内部结构如图所示：图16 过零触发型AC-SSR结构图 应该说明，所谓过零并非在真的0V处，通常是在1020V的区域内，因为开关电路需要供电。R4、R5和V2组成过零检测电路，适当选择分压电阻R4和R5，使在V3两端电压超过过零电压值时，V2饱和导通，反之则V2截止。V1和V2组成与门电路，即输入信号只有在交流电压为零附近才能使V3导通，接通负载，实在过零

43、触发。其基本原理框图和工作波形图如下图所示：图17 过零触发型AC-SSR基本原理框图和工作波形图 DC-SSR其内部结构如图所示：图18 DC-SSR结构图V2为功率晶体管，VD1和VD2为保护二极管，当输入端的控制信号加入时，光耦导通，V1截止，V2饱和导通，负载接通，反之则V2截止，切断负载。基本原理框图和工作波形图如图所示：图19 DC-SSR基本原理框图和工作波形图 4）固态继电器的主要性能特点和参数 驱动功率小 光电隔离的输入驱动电流仅需10mA左右，便于与TTL、HTL和CMOS等数字集成电路连接，无需另加接口电路。 无触点、无动作噪音、无火花干扰、耐振动、寿命长、开关速度快、可

44、靠性高。 应用范围广 交流：大功率140A，电网电压110380V。支流：电流15A，负载电压350V。 对电源电压适应能力强，一般低于电源电压20%仍能正常工作。承受浪涌电流大，一般能达到额定值610倍。 绝缘耐压高，输入与输出间的绝缘耐压可达2.5kV以上。 与普通继电器相比，固态继电器没有辅助触点。 SSR以其体积小、无噪声、长寿命和快速响应正越来越多地取代传统的机械电磁式继电器。SSR的缺点是受热后负载电流减小，绝缘性能比机械式继电器低，因此需在线路中加保护电路。但总的来说SSR是一种新型继电器，有广阔的应用前景。 电源电路如图20所示是电源部分的电路，5V直流电压经过SPY0029A

45、（相当于一般3.3V稳压器）后给整个系统供电。SPY0029A是凌阳公司设计的电压调整IC，是3.3V的三端稳压器，采用CMOS工艺。且具有静态电流低、驱动能力强、线性调整好等特点。（需要注意SPY0029A最大输出电流为50mA）。图20 电源电路图中的VDDH为SPCE061A的I/O参考电平，接SPCE061A的51脚步，这种接法使得I/O输出高电平为3.3V；VDDP为PLL锁相坏电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA为数字电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频

46、输出电路的AVSS2。 数码显示电路 （1）数码管简介用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示数据稳定，使用的硬件较多。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。LED数码管显示还有数码管是共阴极还是共阳极管。采用共阴极数码管还是共阳极数码管并没有太明显的优、缺点，照顾事故同样同一数码对

47、应的笔划信息码往往相互是置反的关系。例如0、1、2、3、的笔划信息码可能不是3FH、06H、5BH、4FH、而是改变为C0H、F9H、A4H、B0H、99H、。（2）电路设计简介数码显示电路如图21所示。此处使用的电阻起限流和稳流作用。晶体管用来做电流开关，总体来说电阻和晶体管都是用来调整LED数码管亮度的。图21 数码显示电路本电路采用共阴极数码管LG5641A进行动态显示，LG5641A具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端，通过动态显示可轮流显示设置温度与测量温度，这有利于节省I/O口。用IOB0IOB2口作为位选控制， I

48、OA0IOA9口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小不会对LED造成损坏，它的电压值却足以驱动LED，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用凌阳SPCE061A单片机大大减化了设计过程和硬件电路。 使用单片机系统串行输出，利用其串/并转换功能，送入数码管显示。外接三位数码管，通过三极管控制LED片选。基本的半导体数码管是有7个条状发光二极芯片排列而成的，也称为七段数码显示器，可实现09、AF以及H、P的显示。从各发光电极连接方式分为共阳极和共阴极两种。共阳极是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离

49、。共阴极型是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的，共阴极LED数码管的ag七个发光二极管加高电平（“1”）发亮，加低电平（“0”）发暗，而共阳极的LED的数码管的ag七个发光二极管正好相反。LED字形代码表见表2。表2 LED字形代码表所显示字符段符号十六进制代码dpgfedcba共阴极共阳极0001111113FHC0H10000011006HF9H2010110115BHA4H3010011114FHB0H40110011066H99H5011011016DH92H6011111017DH82H70000011107HF8H8011111117FH80H9011

50、011116FH90HA0111011177H88HB011111007CH83HC0011100139HC6HD010111105EHA1HE0111100179H86HF0111000171H8EHH0111000176H89HP0111001173H8CHU001111103EHC1H熄灭0000000000HFFH 音频输出电路凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出， DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出， DAC输出为电流型输出，所以DAC输出经过SPY0030音频放大，以驱动喇叭放音，这为单片机的音频设计提供了极大方便。 本系统的

51、音频部分的原理图如图13所示，在图中可以看到两个跳线，其作用在于可以测量DAC的输出波形；另外拔掉跳线，可以断开DAC到喇叭放大的通路，使得DAC通道处于开路状态。这样便于用DAC做其他用途，用户可以用过这个跳线来加入自己的外围电路。图22 音频输出电路 SPCE061A内置两路10位DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。 本电路使用SPY0030功率放大器，主要是将SPCE061A两路音频输出端通过SPY0030放大，经喇叭播放。SPY0030当于 LM386但是比386 音质好，而且它的工作电压范围为为2.4V6V，此处电路只需要2.4V，最大输出功率可达850mW。而386的工作

52、电压要求至少4V，且输出功率只有100mW。音频技术简介 （1）音频信号一般来说，我们所说的音频是指频率在20Hz20KHz的声音信号，分为波形声音信号、语音信号和音乐信号三种。其中波形声音就是自然界是的声音，是声音数字化的基础。语音也可以表示为波形声音，但波形声音表示不出语言语音学的内涵，语音是对讲话声音的一种抽象，是语言的载体，是人类社会特有的一种信息交流系统，是社会交际工具的符号。音乐与语音相比更规范一些，是符号化了的声音。但音乐不能对所 的声音进行符号化，乐谱是符号化声音的符号组，表示比单个符号更复杂的声音信息。 （2）音频信号的抽样和量化要将音频模拟信号进行数字化处理，就必须将模拟信

53、号转换为数字信号。模拟信号数字化有多种方法，目前采用最多的是信号波形的A/D变换法（波形编码）。它直接将时域信号 波形变换为数字序列，接收恢复的信号质量高。此外，还 参量编码等。常用的波形编码方法有脉冲编码调制（PCM调制）和增量调制（DM）.数字音频信号的质量取决于采样频率和量化位数这两个重要参数。此外，声道的数目、相应的音频设备质量也会影响音频质量。 （3）SPCE061A硬件具有的音频特性 SPCE061A其内核是凌阳科技公司最新开发的16 位微处理器NspTM核。 该芯片工作电压范围为(2. 63. 6) V ,工作速度范围为(0. 3249. 152) MHz ，高的工作速度使其应用

54、领域更加拓宽. 有32 位可编程并行I/ O 接口IOA 口, IOB 口，其中IOA1IOA7 用作输入时具有唤醒功能,UART 接口可实现IOB 口的特殊功能；7 通道10 位模- 数转换器(ADC) 和单通道声音模- 数转换器，声音模- 数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC) 功能；双通道10位DAC(数- 模转换) 输出通道,其中每个DAC 通道的输出能力为3. 4 mA ；2 个16bit 可编程定时/ 计数器TimerA , TimerB ，可自动预置计数初值; 内置WatchDog 和ICE(在线仿真板) 。nSPTM具有较高的处理速度,能够快速地处理较复杂的数

55、字信号,且比专用D5P 芯片廉价，因此SPCE061A 被广泛应用在数字语音识别领域。 （4）SPCE061A做语音录放录音时，通过A/D转换器将语音信号转换成数字信号，编码后存入存储器中，放音时，将数据从存储器中取出并解码，然后经D/A转换变成语音信号输入。 其原理分析如下： 1）录音 SPCE061A的A/D转换器有8个通道，其中有1个通道是MIC-IN输入，它专门用于对语音信号进行采样。语音信号经MIC转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至SPCE061A内部前置放大器。SPCE061A内部自动增益控制电路AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当信号增大时，AGC

56、电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，可使进入A/D的信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。A/D转换器对输入的音频信号进行8kHz采样，并按照凌阳音频编码格式进行编码，每秒将占用16kBits的存储器空间。系统扩展了一块容量为1Mbits的SRAM存储器HM628128A来存储语音数据。 2）放音 将HM628128A中存储的语音数据顺序取出，解码后，以8kHz的速率进行D/A转换输出，经电容滤波后，恢复原始语音波形，通过三极管驱动扬声器放音。（5）SPCE061A的音频解压编码音频压缩的目的是通过对资料的压缩达到高效率存储和转换资料的结果，即在保证一

57、定声音质量的条件下以最小的资料效率来表达和传送声音信息。压缩编码中的数据量计算公式为：数据量=（采样频率量化位数）/8（字节数）声道数目。常见的几种音频压缩编码有3种。 1）波形编码 将时间域信号直接变换为数字代码，重建语音波形保持原语音信号的波形形状。编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表情，译码则是其反过程。 波形编码特点是：高话音质量、高码率、适于高保真音乐及语音。2）参数编码 参数编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参数，并将其变换成数字代码进行传输。译码则是其反过程。具体说，参数编码是通过对语音信号特征参数

58、的提取和编码，使重建语音信号具有尽可能高的准确性，但重建信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当大的差别。参数编码特点是：压缩比大，计算量大，音质不高。3）混合编码 混合编码使用参数编码技术和波形编码技术，计算机的发展为语音编码技术的研究提供了强有力的工具。大规模、超大规模集成电路的出现，则为语音编码的实现提供了基础。80年代以来，语音编码技术有了实质性的进展，产生了新一代的编码算法，这就是混合编码。它将波形编码和参数编码组合起来，克服了两者的弱点，结合各自的长处，实现了波形编码的高质量和参数编码的低速率。（6）SPCE061A提供的音频输出SPCE061A 提供的音频输出方式为双DAC 方式

59、,在此方式下DAC1 、DAC2 转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1 和AUD2 管脚输出，输入的量分别写入P-DAC1 (写) ( 7017) 和P-DAC2 (写)( 7016) 单元. P-DAC-Ct rl (写) ( 702AH) 是DAC音频输出方式的控制单元,其b5b8 位用于选择DAC 输出方式下的数据锁存方式，b3b4位用来控制A/D转换方式，第1位总为0,其b9b15位为保留位。表3详细地列出了P-DAC-Ctrl单元的b3b8位的控制功能。 （7）SPCE061A音频系统设计与实现凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种：SACM-A2000：压缩比为8:，8:

60、1.25，8:1.5SACM-S480： 压缩比为80:3，80:4.5SACM-S240： 压缩比为80:1.5按音质排序：A2000S480S240。因此ACM2S240压缩算法具有压缩比大，计算量大，音质不高等特点，非常适用于廉价、低保真场合（如电话）。SPCE061A采用ACM2S240方式（2.4k位/s）能容纳210s的语音数据。 用凌阳Compress Tool事先把所需要的语音信号录制好，本系统共包括十多个语音资源，整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间，SPCE061A单片机具有32k闪存，使用内部flash即可满足要求。用凌阳压缩工具事先把