1、基于SPCE061A单片机的数据采集系统设计基于SPCE061A单片机的数据采集系统设计作 者:魏海波摘 要:本文介绍了一个以凌阳公司提供的61板为主控板,以SPCE061A为控制核心,附加一些外围电路组成的数据采集系统。该系统以水温控制系统为载体,利用 SPCE061A 自带的 10 位 A/D 转换器,结合 Pt100 传感器完成对水温的采样,通过数字滤波等技术消除系统的干扰因素还原当前的温度值,并且对采集到的温度值进行 PID运算处理,实现对水温的控制。 关键词:SPCE061A单片机;硬件描述;数据采集系统;温度控制系统1 引言随着市场对控制技术的需求,基于控制技术的产品的普及程度也就
2、越来越高。而控制技术的关键环节就是数据采集,它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。在一个完善的闭环控制系统中,首先要检测被控对象的当前状态,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,并能够将采集到的数据还原为实际的状态信息,并以此作为控制的出发点。只有采集当前的状态信息,并与设置的目标进行对比才能了解控制过程的好坏。所以说数据采集在系统控制中起着至关重要的作用。 2 概述基于单片机的种种优势,本文介绍了一个以凌阳公司开发的61板为平台,以SPCE061A芯片为控制核心,附加传感器电路,键盘和显示电路,继电器控制电路和UART通信电路组
3、成的数据采集系统(一水温控制系统为载体)。 2.1 系统设计思路针对数据采集系统的特点,本文结合了单片机技术的优点来进行设计。该设计分硬件设计和软件设计两部分,首先进行硬件设计,然后编写出相应的控制程序,可以通过在线调试器PROBE将程序烧写在SPCE061A芯片中,直接在目标电路板上的CPUSPCE061A调试、运行用户编制的程序。程序的正确与否直接影响着设计结果,以此在本设计中软件部分是最为重要的环节,在后续章节有详细说明。在软件设计中秉承C语言的特点-便于编写,首先编写顶层控制程序,然后编写各个单独的控制模块的程序,最后综合在一起,构成完整的数据采集系统控制程序。2.2 数据采集系统的技
4、术要求 随着自动控制技术的发展和应用,对数据采集系统的要求也越来越高,用户不仅要求数据采集系统的稳定,采集的数据准确,同时还要具备数据采集、数据传输、数据删除和系统管理等功能。通常,设计数据采集器的基本要求如下:(1) 温度的实时采集显示;(2) 对温度的变化能够做出及时的处理,最好能够应用 PID 调节;(3) 通过 UART 实现上下位机通信,并在上位机上显示温度的变化曲线。 2.3 数据采集系统的技术指标(1) 单片机部分采用 DC5V 供电;(2) 加热部分采用 1KW 电热器(容量为 2L)加热;(3) 温度控制指标 静态误差: TSetPoint*10 NextPoint; / 偏
5、差,设定值减去当前采样值 pp-SumError积分,历史偏差累加 dError = Error当前微分,偏差相减 pp-PrevError = pp-LastError; / 保存 pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项pp-SumErr积分项pp-DerivatidErro /微分项); 5.2.3 上下位机的通信程序设计UART 发送子程序: void Send_temperature(void) *P_UART_0x /桢头while(*P_UART_Command2&0x0040)=0); /Wait *P_
6、UART_ /整数部分while(*P_UART_Command2&0x0040)=0); *P_UART_Data = guiLED_Value2; /小数部分 while(*P_UART_Command2&0x0040)=0); *P_UART_0x55 /桢尾 5.3绘图界面设计: 绘图界面包括串行口设置、功能按钮、曲线输出窗口三部分,在使用时选择正确的端口,上下位机的波特率,数据格式要一致。PID 参数的整定: 由 PID 控制原理知:比例(P)控制能迅速反应误差,减小稳态误差;比例作用的加大,会引起系统的不稳定。积分(I)控制的作用,只要系统有偏差存在,积分作用不断地积累,输出控制量
7、以消除误差;积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。 我们想要达到的目标就是:反应速度尽可能快,超调量尽可能的小,稳态误差趋近于 下面是不同的 PID 参数的测量曲线: 1.Kp =1.5、K d=1.0(温升:2040)对应的曲线如图(13)所示, 由图形可以看出来,由于 Kp过大,造成超调量过大。2.Kp =1.2、K d=1.0(温升:4060)对应的曲线如图(14)所示,由图形可以看出来,由于 Kp过小,系统的快速性不好,系统反应迟钝。3.Kp =1.
8、3、K d=1.0(温升:3050)对应的曲线如图(15)所示, ,由图形可以看出来,由图形可以看出来,由于Kd过小,系统的超调量比较大,而且预测性不好,造成温度长时间超调。 4.Kp =1.3、K d=2.0(温升:5070)对应的曲线如图(16)所示, 由图形观察可知:Kd选择适中,系统的超调量很小,而且超调维持时间很短就会恢复平衡点。 图(13) 图(14) 图(15) 图(16)通过以上几次的测量曲线分析,最终选择Kp =1.3、 Kd=2.0。 注意:PID 参数的整定和加热器的功率,水的容积有很大关系,所以在一个系统下整定的参数在另外一个系统下可能不适用。6 结论本文提出的数据采集
9、系统的设计经过软、硬件结合的实验验证,对该芯片设计有如下几点结论:该设计整合了单片机和C语言的优点,使得整个数据采集系统简便且易于实现。在硬件的设计中,单片机的应用使得该系统集成度高、可靠性好、且具有较强的中断处理能力。而在软件设计中,C语言简单灵活、清晰易读、模块化较好、可移植性最好,从而克服了汇编语言耗时多且效率低的缺点。且61单片机具有语言识别功能,但由于该设计准备时间较多,语音识别功能没有设计,在后续的设计中会将其加进去,以完善整个设计参 考 文 献1 David Karlins,Build Your Own Web SiteJ,McGraw-Hill Osborne Media,20
10、03.1.2 罗亚非等.凌阳16位单片机应用基础M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.3 饶晓燕.基于单片机数据采集器的开发D.中国农业大学,2002.4 张培仁,高修峰等.十六位单片机微处理器原理及应用M.北京:清华大学出版社,2008.5 袁运周,宋鲁韬.一种单片机控制的数据采集器J.河南科技;1987年08期6 陈杰,黄鸿等.传感器与检测技术M,高等教育出版社,2006.1.张春峰,邹新杰,余张国.基于ATMEGA16 的智能控制器的开发研制J.微计算机信息,2007,23(8):123-124. 2.张震宇,王华.基于凌阳单片机的语音识别技术及应用.微计算机信息,2007,8-2
11、:23.10.Konrad King. SQL 编程实用大全M杜大鹏,译北京:中国水利水电出版社,200511.侯振鹏.嵌入式C 语言程序设计使用MCS-51M.北京:人民邮电出版社,2006.The Design of Data Collecting System Based on SPCE061A WEIHaiboAbstract: This paper introduces a Sunplus offers 61 boards as the main control boards, to SPCE061A for the control of the core, additional p
12、eripheral circuits composed of a number of data acquisition system. The system water temperature control system as the carrier, the use of SPCE061A native 10-bit A / D converter, with Pt100 temperature sensor to complete the sampling, digital filtering techniques to eliminate interference factors in the system to restore the current temperature value, and the right collection the temperature value to the PID operation processing, and right water temperature control. Key words: SPCE061A SCM; hardware description; data acquisition system; Temperature Control System
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