具有语音功能的温度检测及控制系统的设计大学本科毕业论文.docx
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具有语音功能的温度检测及控制系统的设计大学本科毕业论文
附件
附件1开题报告（文献综述）
附件2译文及原文影印件
1绪论
1.1研究背景和意义
电子技术的快速发展，尤其大规模集成电路以及超大规模集成电路的产生和发展，给人们的生活带来的根本性的变化。
这些变化不仅仅体现在了人们生活节奏的加快，还包括了人们生活方式的改变。
由于可编程控制器的出现，现代工业控制领域进入了一个崭新的阶段。
在日常生活中，由于温度过高和过低而造成大量的水资源的浪费，所以温度控制在我们的生活中扮演着很重要的角色。
温度控制技术的飞速发展，让我们的资源得到更合理的利用，从而减少了很多工业生产中的资源过度浪费。
温度控制技术的发展依赖于单片机技术[1-2]，而单片机是随着超大规模的集成电路技术的发展诞生的。
单片机的体积小、功能强、性价比高等的特点，使得单片机应用十分广泛。
现在社会生活中的很多产品都是应用了单片机[3-5]，利用单片机的优势，使得产品的体积更小、更加的智能化，从而提升了产品的各种性能。
现代社会对单片机的需求越来越多，这也使得人们对单片机的性能要求也越来越高。
为了满足人类的需要，单片机技术也在不断的发展，在我们生活的各个领域中，几乎没有哪个领域中没有单片机的应用。
国防建设中的导弹装置，飞机上的仪表控制，计算机网络通讯与数据传输，工业自动化的实时控制和数据处理，还有着我们经常使用的智能IC卡等等无不利用了单片机技术[6]。
因此，单片机技术在不断的进步，向不断的满足着人们需求的方向前进。
单片机的技术进步包括了数字单片机[7-8]的工艺及技术，模糊单片机的工艺及技术，单片机的可靠性技术，以及以单片机为核心的嵌入式系统的发展。
在我们的现实生活中，数字单片机扮演着非常重要的角色，它的发展也在一定程度上代表了单片机技术的发展。
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工业等方面上。
90年代后期到现在，单片机的发展又进入了另一个新阶段，单片机朝着更高性能和多品种方向发展，其发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展[10]。
随着集成工艺的不断发展,单片机一方面向集成度更高、体积更小、功能更强、功耗更低方向发展,另一方面向32位以上及双CPU方向发展。
信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。
现在信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。
所以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的发展非常重要的组成部分。
在温度检测中我们使用到了温度传感器[11-12]，传感器技术的发展对在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。
人类社会对传感器越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力和发展方向，而现代先进科学技术突飞猛进则为其发展提供了坚强后盾。
温度传感器在所有传感器中是最早开发的，也是应用最广泛的。
传感器技术在半导体技术的支持下出现了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
传感器技术的不断发展，新型传感器也在不断出现，并且向着集成化、多功能化和智能化的方向发展，在传感器技术发展的同时，还促进了很多相关技术的发展，这其中包括了新材料的开发，新工艺的采用以及智能材料的使用等。
这使得各种技术之间互相促进，共同发展。
1.2课题内容
本课题要求以凌阳SPCE061A单片机为控制系统的核心部件设计一个具有语音功能的温度检测及控制系统。
我们通过Pt1000传感器进行温度信号的采集和测量，在经过放大器和A/D转换器把温度信息转换为单片机可以处理的范围内的信号，并且在单片机内进行采集、分析及处理，通过PID控制算法来实现电炉功率及水温控制的功能。
整个水温控制系统的加热对象为一升纯净水，纯净水装在一个一千瓦的电热炉里进行加热。
要求能在40℃~90℃范围内设定温度来控制水温，温度的精度要求达到0.2℃，测量出来的温度值在LED数码管上以十进制显示。
2方案设计与比较
水温控制系统包含了硬件系统和软件系统两部分。
水温控制系统是一个过程控制系统，而过程控制的主要方式是反馈控制，因此水温控制系统设计中也使用到了反馈控制。
整个水温控制系统是一个闭环控制系统，而控制的对象就是温度。
在过程控制中我们必须明确系统的组成部分，所以我们要对水温控制系统的硬件控制部分、检测部分以及控制算法部分进行确定。
2.1控制部分
控制部分我们需要采用可编程控制器来满足我们的控制要求。
可编程控制器是指可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器。
可编程控制器简称PC（ProgrammableController），它的发展经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同的时期，为了与个人计算机PC区分，可编程控制器使用PLC这个简称。
PLC具有很多特点，比如可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；容易改造；体积小，重量轻，能耗低等。
因为PLC这些特点符合人们的需要，这就使得PLC发展很迅速，向着不断满足人们需要的目标不断的改进和更新换代。
现在广泛应用的可编程控制器种类很多，综合这次设计没有涉及复杂的数据计算和处理，我们采用单片机来实现控制部分的功能。
目前适用的单片机种类繁多，有51单片机、凌阳单片机、AVR、PIC以及MSP430单片机等，它们在各自领域中具有自己的优势，下面我们对各种类型单片机进行简单说明与介绍：
MCS-51系列及其兼容产品是Intel公司生产的一种最常用的单片机类型之一，51单片机影响面很广、应用成熟，已经被单片机控制装置的开发设计人员所接受，表2-1列举了3种具有代表性的单片机的型号及其特点：
表2-1常用MCS-51系列单片机一览表
公司
品名
特点
Intel
8031
MCS-51CMOS单片8位微控制器，32条I/O引线，2个定时器/计数器，5个中断源，2个优先级，128B片内RAM
Philips
80C562
基于8051CMOS控制器，8位A/D，PWM，48条I/O引线，3个定时器/计数器，14个中断源，4个优先级，无片内ROM，256B片内RAM
87C591
基于8051CMOS控制器，片内CAN（SJA1000CAN），10位ADC，WDT，32条I/O引线，3个定时器/计数器，15个中断源，4个优先级，I2C总线，16KBEPROM，256B片内RAM+256B附加AUXRAM
凌阳生产的是16位单片机。
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域逐渐由传统的控制扩展为控制处理数据处理以及数字信号处理，DSP等领域，而凌阳的单片机就是为了适应这种发展而设计的。
它相对其他的单片机具有功能强、效率高的指令系统；低电压、低功耗以及电压工作范围大等优点。
此外凌阳单片机还自带语音模块，支持语音识别和语音产生。
凌阳单片机的这些优点使得它在应用中相对其他的单片机具有一定的优势。
AVR单片机是由ATMEL公司利用Flash新技术，研发出的RISC精简指令集的高速8位单片机，相对于出现较早的51单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口更为强大，并且价格也比较低。
AVR系列单片机是高速嵌入式单片机，I/O口功能强，具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器、计数器及通讯接口并且低耗，保密性强，具有很强的市场发展前景。
通过对几种主流单片机的了解，我们有了以下的几个方案，我们可以对其中的方案设计进行比较之后选择最适合课题研究的方案，方案如下：
方案一：
此方案采用AT89S51单片机实现。
AT89S51单片机是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，并且能够兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。
AT89S51单片机的芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。
AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S51单片机实现了ISP下载功能，也就是说它具有在线编程功能，这个功能的使得我们在改写单片机存储器内的程序时不再需要把芯片从工作环境中剥离出来，速度更快，稳定性也比AT89C51系列单片机更好。
AT89S51单片机的烧写电压只需要4到5V就可以，这个条件很容易达到，也让烧写过程更加的方便。
这种单片机具有双工UART通道，内部集成看门狗计时器等。
AT89S51单片机软件编程自由度大，各种控制算法和逻辑控制都可以通过编程在AT89S51单片机上实现。
但是AT89S51单片机需要外接数模转换器来满足数据采样的要求，在选择数模转换器是又必须考虑多方面的问题，比如根据系统需求来选择合适的数模转换器；选择好数模转换器后，又得根据所选器件设计外围电路与单片机的接口电路；还有就是要编写进行数据采集的单片机程序。
如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片及接口，这样就使得外围电路非常复杂。
51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，使得整个工程十分繁琐。
图2.1是采用AT89S51单片机时的电路框图：
图2.1采用AT89S51单片机电路框图
方案二:
此方案采用ATmega8型单片机。
ATmega8型是ATMEL公司推出的一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的高Flash型8位单片机。
在AVR这个单片机家族中，ATmega8型具有其很独特的一面，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，再加上AVR单片机系统内可编程的特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机的嵌入式设计和开发。
ATmega8单片机具有非常丰富的指令集，能真正地实现同时读写的功能，它还具有一整套完整的编程和系统开发工具。
ATmega8片内集成的众多系统及功能单元为控制系统的开发提供了很大便利，但没有语音处理功能，需外设电路的支持。
同时ATmega8单片机不带任何仿真接口，所以它需要用仿真器来进行软件调试，可以发现ATmega8型单片机和AT89S51单片机一样，在具体的操作过程中会比较麻烦，都需要外接其他的芯片或器件来满足设计的需求。
图2.2是采用ATmega8型单片机时的框图。
图2.2采用Atmega8型单片机的电路框图
方案三:
此方案采用SPCE061A单片机实现。
SPCE061A是继μ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品之后凌阳科技生产的又一款16位的微控制器。
SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（Flash），这样可以满足用户们较少资源的需求并且更加方便程序的调试。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号，因而特别适用于数字语音识别等应用领域。
SPCE061A单片机内置8路ADC,2路DAC,14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，还具备触键唤醒功能。
SPCE061A单片机的集成开发环境中，配有很多语音播放函数，也就是说此单片机具有语音播报的功能，因此在进行一些具有语音播报功能的系统设计时，用SPCE061A显得极为方便。
SPCE061A单片机的内置语音芯片，使得它在很多需要达到语音识别与控制的要求的系统设计中具有很大的优势。
该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这对系统的开发与调试提供了很大的便利。
图2.3是采用了SPCE061A单片机的框图：
图2.3采用SPCE061A单片机的电路框图
通过上述三个方案的简单介绍，我们可以发现这三个方案都能满足我们设计的要求，只是在实现某些功能上需要外接上一些电路，但是我们在设计的时候都要考虑到简单实用，还得考虑到经济问题。
根据课题要求需要具有语音播报功能可看出来，采用SPCE061A单片机更符合要求，更能使电路简单并且实用化。
所以本设计采用SPCE061A单片机进行系统开发。
下面对SPCE061A单片机进行详细介绍：
SPCE061A单片机作为凌阳推出的一款最新产品，不但具有微控制器的功能，还有着DSP运算功能，可以用来进行数字语音信号处理。
人们可以通过语音对产品进行控制，使得我们在生活中更加的便利。
SPCE061A单片机的结构如下图2.4所示，它有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种是80个引脚，LQFP80封装。
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。
图2.4SPCE061A单片机的结构图
2.2检测部分
温度是工业控制中一个很重要的被控对象，特别是在冶金、化工、建材、机械以及石油等工业中，具有举足轻重的作用。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。
采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，而温度的检测也非常重要，我们可以采用很多的方法对温度进行检测，目前最常用的方法就是使用温度传感器来测温，而随着温度传感器的发展，温度传感器也成为了实现温度检测和控制的重要器件。
在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展也是最迅速的传感器之一。
温度传感器首先对温度信号进行采集，分析之后把接收到的信息转换为电压信号，再通过放大让电压信号达到单片机的处理范围，经过滤波处理，得到不含干扰信号的电压信号送至单片机进行处理。
在单片机处理信号时，要经过采样，再滤波来达到我们的精度要求。
最后，我们把单片机检测到的温度信息与给定的值进行比较，假如两个值不相符，将通过PID控制算法得到控制量，然后程序就根据控制量来控制和执行单元。
如果测量值比给定值高，就会启动制冷系统，从而降低系统的环境温度；如果测量值低于给定值，就会启动加热系统，提高系统的环境温度。
这样，整个水温系统就达到了控制温度的目的。
温度传感器的分类方法很多，按温度传感器的组成材料可以分为热电偶温度传感器和热电阻温度传感器；按温度传感器输出信号的模式又可以分为数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器以及模拟式温度传感器。
热电偶测温原理基于热电效应。
两种不同材料的导体A和B，两端连接在一起，构成一个闭合回路。
当一端的温度为T0，另一端的温度为T（设T>T0），这时回路中就有电流或EAB热电势产生，其大小可以由测量电路测出。
利用热电效应就可以测出物体的温度。
这个闭合回路就称为热电偶。
热电偶测温在工业上应用广泛，它适用于测量100℃~2000℃范围内的温度，具有结构简单、使用方便、精度高、热惯性小等优点。
导体的电阻值是随着温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200~500℃温度范围内的温度测量。
纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：
电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；电阻率高，热容量小，反应速度快；材料的复现性和工艺性好，价格低；在测温范围内化学物理特性稳定。
目前，在工业中应用最广的铂和铜电阻，并已制作成标准测温热电阻。
下面从另一个角度来介绍温度传感器，也就是从其输出信号的模式方面来对温度传感器进行了解。
现在的模拟式温度传感器已经发展到集成模拟温度传感器了，它把常用电路都集成到一个很小的芯片上，比传统模拟温度传感器灵敏度更高，线性度更好，并且响应速度也非常之快。
AD590就是一种很常见的电流输出型的集成模拟温度传感器。
在有些时候，我们对温度的测量精度要求并不是很高，只是需要知道温度是否属于一个给定的范围内，如果温度不在所给定的范围内，就发出警报，从而启动或者关闭控制设备，这个时候我们就采用逻辑输出式温度传感器来满足要求。
数字式温度传感器采用了数字信号输出的技术，这种温度传感器采用3芯带屏蔽导线，使得温度信号更加不易被干扰，解决了温度测量的导线延长和抗干扰问题。
这种温度传感器的温度测量范围为：
-55℃～+125℃、分辨率为0.0625℃，测温精度为±0.1℃。
通过对传感器的了解，我们可以提出以下几种关于测温的方案：
方案一：
采用热电偶来进行测量，热电偶是一种感温元件，它能直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。
热电偶具有以下特点：
装配简单，更换方便；抗震性能好；测量精度高；测量范围大；热响应时间快；机械强度高耐压性能好；耐高温；使用寿命长。
因此，这种测量方法的优点是测量精度高，测量范围广，并且构造简单，使用起来也很方便。
但是热电偶输出电势及其微弱，而且存在冷端温度误差和输出电势与被测温度的非线性问题，容易引起较大的测量误差，尤其在以单片机为核心器件的智能装置中，需要进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计，硬件芯片使用过多，软件编写任务重，不能适应现阶段的产品集成化、模块化的需要。
热电偶测温要加上补偿电路且材料价高，还需要外接A/D转换器。
下图2.5就是一个K型热电偶外接了一个A/D转换器MAX6675的测温电路：
图2.5热电偶测温电路
方案二：
采用热敏电阻测温，可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，无需延长导线时的误差补偿,但是热敏电阻价格高，不线性，需要复杂的恒流源伺服电路，并且数据处理复杂，同样也需要外接A/D转换器。
在热电阻测温中，铂电阻Pt1000是我们最常使用之一，铂热电阻的高温稳定性好，具有良好的防震动和防冲击性，能承受高电压并且线性度好，所以铂热电阻广泛应用于工业生产中。
在0~100摄氏度时，铂热电阻的线性很好，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系为Rt=R0（1+A+B*t）；其中Rt是温度为t℃时的电阻的阻值；R0是温度为0℃时的电阻的阻值；t为任意温度值，A,B均为温度系数。
图2.6为一个简单热敏电阻测温电路：
图2.6热敏电阻测温电路
下面对该电路图进行下说明：
P1.0、P1.1和P1.2是单片机的3个I/O脚；RK是一个100k的精密电阻；RT为100K-精度为1％的热敏电阻；R1是一个阻值为100Ω的普通电阻；C1为0.1μ的瓷介电容。
其工作原理为：
首先要让瓷介电容C1放电至放完为止，方法是把单片机的三个I/O引脚都设为低电平输出。
然后把P1.1、P1.2设置为输入状态，P1.0设为高电平输出，通过RK电阻对C1充电，此时单片机内部计时器清零并开始计时，检测P1.2口状态，当P1.2口检测为高电平时，即C1上的电压达到单片机高电平输入的门限电压时，单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T1。
将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出，使C1放电至放完。
再将P1.0、P1.2设置为输入状态，P1.1设为高电平输出，通过RT电阻对C1充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测P1.2口状态，当P1.2口检测为高电平时，单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T2。
从电容的电压公式，可以得到：
（2-1）
通过单片机计算得到热敏电阻RT的阻值。
并通过查表法可以得到温度值。
从上面所述可以看出，该测温电路的误差来源于这几个方面：
单片机的定时器精度，RK电阻的精度，热敏电阻RT的精度，而与单片机的输出电压值、门限电压值、电容精度无关。
因此，适当选取热敏电阻和精密电阻的精度，单片机的工作频率够高，就可以得到较好的测温精度。
当单片机选用4M工作频率，RK、RT均为1％精度的电阻时，温度误差可以做到小于1℃。
方案三：
采用测温传感器DS18B20测温，DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的数字式温度传感器，它能够直接读出被测温度，可通过简单的编程实现9位~12位的数字读书方式，并且从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线，其读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也能向所挂接的DS18B20供电，而无需额处电源。
DS18B20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统，故电路非常简单，系统结构也更简单、灵活，可靠性也更高。
图2.7为数字传感器DS18B20的温度电路：
图2.7采用DS18B20的测温电路
DS18B20的测温原理如图2.8所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图2.8中的斜率累加器的作用是补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。
图2.8DS18B20内部测温电路原理框图
通过对上述三个方案的比较并结合我们所采取的单片机以及设计要求，如果采用数字温度传感器的话，就用不到凌阳单片机的模数转换器，这造成了单片机功能的闲置，热电偶测温很复杂且不经济。
铂热电阻非常适合用于中低温区的温度检测，并且Pt1000在精度和性能上都能满足设计的需要，因此这个测温系统采用Pt1000来实现测温目的。
2.3算法部分
水温控制系统是一个过程控制系统。
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，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。
PID调节规律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、…）。
控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：
增量式算法，位置式算法，微分先行。
这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。
通常，电阻丝水温控制采用偏差控制法，偏差控制原理是先求出实测温度与所需温度的偏差值，然后偏差处理，从而获得控制信号去调节电阻丝的加热功率，以实现对水温的控制。
偏差控制又称为PID控制，这是应用很广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。
PIDL理想微分方程为：
（2-2）
下面对公式中各参数进行说明：
—比例调节作用：
是按比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用以减少误差。
比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
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