嵌入式技术实践报告(基于LPC1114和铂电阻水温闭环控制系统).doc

电气工程与自动化学院课程设计报告（嵌入式技术实践）题 目：基于LPC1114和铂电阻水温闭环控制系统专业班级：学 号：学生姓名：指导老师： 2012年 7 月 4 日摘 要 随着现代化技术的逐渐发展，在很多行业如医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备应用时，都会涉及到高温，高精度等特性，而一般的温度计无法满足。 为了满足现代行业的发展，实现高精度的水温控制，本文重点介绍了一种以LPC1114为控制核心、铂热电阻pt1000为测温原件、以PID为算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、控制算法的确定、各部份电路及软件的设计。LPC1114拥有完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统：电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等特点。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了水温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M0特有的AD采样功能，显示模块以TinyHMI为核心，固态继电器控制电加热，超级恒温器为对象的控制。关键词：LPC1114；Pt1000；PID；水温闭环控制；滤波器摘 要2第一章 绪 论21.1 课题背景及方向21.2 课题的分析31.3 课题概述41.4 设计要求与技术指标41.5 基本功能与扩展功能5第二章 方案的选取52.1 方案设计思路52.2 MCU的选择62.3 温度自控的方法6第三章 系统软硬件总体设计93.1 总体设计及框图93.2 外部电路设计103.2.1 温度传感器采集转换电路103.2.2 低通滤波电路143.2.3 水箱控制电路153.2.4 键盘设和显示电路163.3 LPC1114介绍173.4 电源原理图203.5 A/D转换213.6 设计软件介绍223.6.1 Altium Designer 09223.6.2 PCB的绘制过程223.7 软件环境23第四章 系统实现244.1 各硬件模块功能244.2 硬件实现244.2.1 PCB板的设计规则244.2.2硬件调试244.3 软件实现264.3.1 软件框图264.3.2 系统代码26致 谢35附 录36参考文献37第一章 绪 论1.1 课题背景及方向自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Cortex-M0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LPC1114F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固态继电器作执行部件。系统控制对象为超级恒温器。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 课题的分析 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LPC1100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Pt1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器LM358将温度-电压信号进行放大，用LPC1100控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为精密水温箱。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性。1.4 设计要求与技术指标设计要求：设计一个水温自动控制闭环系统，控制对象为精密水温箱，里面有加热制冷功能。水温可以停留在用户设定的点，并能在环境温度改变时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，并且在系统运行时，用户可以设定温度值。系统设计具体要求：(1) 温度设定范围为0100。 (2) 采集温度与实际温度误差0.5。(3) 采用适当的控制方法，使得水温可以稳定在设置温度而不上下浮动。(4) 用十进制数码管显示水的实际温度与设定温度。(5) 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。(6) 波纹0.1。1.5 基本功能与扩展功能基本功能： 利用Pt1000作为温度传感器，把温度的模拟信号转化为数字电信号。 水箱通过加热制冷稳定在设置温度。 TinyHMI稳定显示当前水温与设定温度。 用户可以通过人机界面调节温度的大小（范围0100），并可以通过加热器件改变水的温度。扩展功能： 使用PID控制温度的变化 使用软件滤波与硬件滤波实现采集的温度稳定。 使温度的精度精确到0.1 第二章 方案的选取2.1 方案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 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 MCU的选择方法一：Cortex-LPC1114Cortex-M0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。方法二： 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。最终确立：将两个方案一比较便可得出一个结论，单片机和LPC1114都具有其优势。但是MO自带AD采样功能，而单片机没有此功能，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LPC1100是必然的选择。2.3 温度自控的方法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)常规PIDPID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2-2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。图2-2 PID调节器并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为： （2-1）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 （2-2）其增量表达形式为： (2-3)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。在实际使用中，在满足生产过程需要的前提下,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。 自动控制方式为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。如图2-3，该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR(固态继电器，以下简称SSR)对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。LPC1100的运算规则称为控制法则或控制算法。图2-3 控制流程常用的控制算法有以下几种： 经典的比例积分微分控制算法。 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。 第三章 系统软硬件总体设计3.1 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LPC1100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LPC1100，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SSR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。具体结构图及说明如下。LPC1114键盘输入串口通信温度测量器件 Pt1000数据处理继电器加热TinyHMI数据显示 图3-1 控制设计总体框图键盘设定：用于温度设定，共四个按键。 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。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。3.2 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LPC1114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。3.2.1 温度传感器采集转换电路图3-2 Pt1000实物图WZP型铂电阻温度传感器Pt1000是利用元件电磁参量随温度变化的特性对温度与温度有关的参量进行检测的装置。因其线性度相对较好，耐氧化能力很强，并且温度范围宽，其测温的范围从-200+650，目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用。该传感器的信号处理电路需要完成将与温度有关的电阻变化信号变换成统一的电压信号。 (1) Pt1000的输出特性曲线将Pt1000放入高低温实验箱中，将温度设定为-30+70，测得温度传感器在不同温度下的电阻值，测得数据如图3-3所示。在测量温度范围内，Pt1000输出电阻值与温度成一定的比例关系。但是在高温和低温条件下，有一定的偏差，需要在调理电路中进行温度补偿。图3-3 Pt1000的输出特性曲线 (2) 基本恒流源电路铂电阻温度传感器的信号处理电路可以采用恒压源或恒流源，通过对恒压源的研究，发现在实际应用中存在不稳定，精度不高等问题，其原因是恒电压工作时，除了铂电阻本身的非线性误差外，还会产生恒电压工作电路的固有误差，从而使得整个电路的系统误差变大。因此本文设计采用的是恒流源的方法。基本的恒流源电路见图3-4，用铂电阻RT代替反相放大器的Rf，根据反相放大器的公式可以得到： (3-1)Vi，R1固定后，流过RT的电流恒定，Vo与RT成正比，从RT的变化可以得到相应的电压的变化，从而实现了电压输出，并且线性度保持不变。图3-4 恒流源电路(3) 带同相输入的温度处理电路理想温度传感电路在0时输出电压为0 V，而在图3-5中RT=1 000.8 ，代入式(3-1)得到的Vo不为0，所以需要对电压进行调零。实现的方法是在图3-5中的运放的同相端加一个输入电压进行调整，如图3-5所示。图3-5 带同相输入的温度处理电路设，根据虚短条件，有： （3-2）整理后得 （3-3）0时R=Ro，Vo=0代入式（8）得： K+Ro/R1(k-1)=0故： k=Ro/(Ro+R1) (3-4)所以只要k能调到合适的值，就可以使信号实现调零。但因为这只是理论上的计算，实际的运放不是理想的，各个电阻也会由于温度等的影响，阻值不会完全符合标称阻值。所以不固定R2和R3的大小，在实际中采用可变电阻进行微调。同相输入端调整电压的加入使得即使温度升高，输出电压也会减小，因此为了保证信号在-30+70时线性输出-300700 mV，在调零后再用一个放大电路对放大系数进行调节。如图3-6所示。图3-6所示为反相放大电路，他不光可以实现一个放大信数为A=R5R1的放大效果，还可以将通过前级运放反相了的电压Vo再反相，即变成了符合要求的正相电压了。图3-6 反相放大调整电路(4) 实际温度传感信号处理电路实际温度传感信号处理电路见图3-7，电路图中的电容C是降噪电容器，实际取值1F，2.5 V电压基准由MAX6025提供。依据图中给定参数，在进行实际温度测试前，首先要对其进行调零和调满。用精密可调电阻代替Pt1000连接到电路中，改变阻值使其等于0时的等效电阻1 000.8 ，调可变电阻R5，使输出电压为0，再改变精密可调电阻值到70的1 265.8 ，调可变电阻R6，使输出为700 mV，完成调零和调满。该电路经过实验测试，达到很好的温度传感效果。如图3-7所示，运放采用LM358集成芯片，温度传感器使用Pt电阻。LM358是微功率运算放大器，利用标准 CMOS 制成，提供与 LM324 、TL274 及 WT274 等相似产品完全兼容的接脚。其低操作电压及稳定的品质特性，提供了完美的输出驱动能力。LM358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。采用温度传感器铂电阻Pt1000，是因为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，其中：温度为t摄氏度时的电阻；温度为0摄氏度时的电阻；B温度系数，A=3.94*102/，B=-5.84*10-7/T任意温度因为铂电阻在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0380欧姆，电压从03.3V。 采用差动运放，通过可调分压电阻可以满足零点调节。因为铂电阻中电流基本为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LPC1100数模转换。图3-7 电压处理和放大电路图3-8 电压处理和放大电路实物图3.2.2 低通滤波电路由于由温度传感电路输出的电压波纹比较大，所以低通滤波便营运而生。通过低通滤波器输出的电信号可有效去除波纹。图3-9 低通滤波器3.2.3 水箱控制电路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SSR固态继电器，SSR是半导体继电器，所以较小的驱动功率即可使SSR工作。它的使用非常简单，只要在控制台端加上一TTL、CMOS电平或一晶体管，即可实现对继电器的开关。图3-10 热电炉控制电路 图3-11 过零控制方式SSR工作波形 图3-11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常开式（常闭式）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），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。 3.2.4 键盘设和显示电路 下图为TinyHMI实物图 图3-12 TinyHMI实物图TinyHMI内部原理图如下所示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 KEY1小数点加，KEY2 小数点减，KEY3 整数加，KEY4整数加图3-13 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 LPC1114介绍LPC1114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MCU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。LPC1114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；图3-14 LPC1114最小模块原理图01234567891001385.055 1388.847 1392.638 1396.428 1400.217 1404.005 1407.791 1411.576 1415.360 1419.143 1101422.925 1426.706 1430.485 1434.264 1438.041 1441.817 1445.592 1449.366 1453.138 1456.910 1201460.680 1464.449 1468.217 1471.984 1475.750 1479.514 1483.277 1487.040 1490.801 1494.561 1301498.319 1502.077 1505.833 1509.589 1513.343 1517.096 1520.847 1524.598 1528.381 1532.139 1401535.843 1539.589 1543.334 1547.078 1550.820 1554.562 1558.302 1562.041 1565.779 1569.516 1501573.251 1576.986 1580.719 1584.451 1588.182 1591.912 1595.641 1599.368 1603.094 1606.820 1601610.544 1614.267 1617.989 1621.709 1625.429 1629.147 1632.864 1636.580 1640.295 1644.009 1701647.721 1651.433 1655.143 1658.852 1662.560 1666.267 1669.972 1673.677 1677.380 1681.082 1801684.783 1688.483 1692.181 1695.879 1699.575 1703.271 1706.965 1710.658 1714.349 1718.040 1901721.729 1725.418 1729.105 1732.791 1736.475 1740.159 1743.842 1747.523 1751.203 1754.882 2001758.560 1762.237 1765.912 1769.587 1773.260 1776.932 1780.603 1784.273 1787.941 1791.610 2101795.275 1798.940 1802.604 1806.267 1809.929 1813.590 1817.249 1820.907 1824.564 1828.220 2201831.875 1835.529 1839.181 1842.832 1846.483 1850.132 1853.779 1857.426 1861.072 1864.716 2301868.359 1872.001 1875.642 1879.282 1882.921 1886.558 1890.194 1893.830 1897.463 1901.096 2401904.728 1908.359 1911.988 1915.616 1919.243 1922.869 1926.494 1930.117 1933.740 1937.361 2501940.981 1944.600 1948.218 1951.835 1955.450 1959.065 1962.678 1966.290 1969.901 1973.510 2601977.119 1980.726 1984.333 1987.938 1991.542 1995.145 1998.746 2002.347 2005.946 2009.544 2702013.141 2016.737 2020.332 2023.925 2027.518 2031.109 2034.699 2038.288 2041.876 2045.463 2802049.048 2052.632 2056.215 2059.798 2063.378 2066.958 2070.537 2074.114 2077.690 2081.265 2902084.839 2088.412 2091.984 2095.554 2099.123 2102.692 2106.259 2109.824 2113.389 2116.953 3002120.515 图3-15 Pt1000分度值表3.4 电源原理图固态继电器吸合电压为330V在此采用7812做电源如图3-15所示图3-16 12v直流电源 由于运放放大电路的需要，必须使用双电源图3-17 正负5v双电源如图3-17是 正负5伏电源实物图图3-18 正负5伏电源实物图3.5 A/D转换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(3V3)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；ADC转换时钟分频值计算： (3-5)3.6 设计软件介绍3.6.1 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，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；1） 后的布线；2） 放置好元器件后，把丝印排好；3.6.2 PCB的绘制过程绘制好原理图以后，点击菜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：3） 按照设计要求，在禁止布线层“keep-out-layer”画一个框；4） 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；5） 原理图导入PCB后，可以先把四个支架孔画好；6） 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； 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；3.7 软件环境程序设计是在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Linux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3.7-1 TKStudio编程环境第四章 系统实现本系统的制作调试主要分为硬件调试、软件调试和联机调试等三大部分。进过初步的分析设计后，在设计制作硬件电路的同时调试穿插进行，应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的。许多硬件故障是在调试软件时才发现的。但通常是先排除系统中明显的硬件故障后才和软件结合起来调试，如此有利于问题的分析和解决，不会造成问题的累积，从而节约大量调试时间。4.1 各硬件模块功能整个系统共分以下几个模块1. 电源模块，分为正电源与正负电源2个模块，输出分别为12V和+-5V，正12V电压用来控制继电器，+-5V用来供LPC1114工作，还有信号采集模块2. 信号采集模块，采用温度传感器铂电阻Pt1000，是因为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。3. 低通模块，用于处理信号。4. 继电器控制模块，继电器由输出的PWM来驱动，如果温度在设定值的10度范围以内，温度越高，PWM的占空比越小，温度越低，占空比越大。LPC1114主MCU模块，此模块为控制核心，控制整个系统，4.2 硬件实现4.2.1 PCB板的设计规则PCB即印刷电路板，是电子电路的承载体。在现代电子产品中，几乎都要使用PCB。PCB板的的设计是电子电路的最后一个环节，也是对原理电路的再设计。因此PCB板的设计是理论设计到实际应用的一个十分重要的内容。印刷电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑。它提供电路元件和器件之间的电气连接。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大，因此在PCB设计时，必须遵守印制电路板设计原则和抗干扰措施的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。4.2.2硬件调试本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：1）逻辑错误调试样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误主要包括：错线、开路、短路等几种，其中短路是最常见的故障。2） 器件调试3） 元器件失效的原因有两个方面：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。4） 可靠性调试引起系统不可靠的因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰，电源文波的系数过大、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。5）电源故障若样机中存在电源故障，则加电后造成器件损坏，电源的故