专业综合实训

实训总结性说明

本系统需要实时采集温度数据, 然后经过A/D 转换为数字信号, 存入AT89S52 的内部数据存储器, 送液晶显示, 并与设定值进行比较, 经过PID 算法得到控制量并由单片机输出去控制加热器。进行温度控制程序的设计应考虑如下问题: ①温度采样, 数字滤波; ②PID 控制程序; ③按键处理, 液晶显示; ④上位机语音处理; ⑤与上位机通信程序。

一、温度采集部分

1)采集的温度信号的性质：按一定曲线变化的模拟信号，而且温度变化比较缓慢。如果设计硬件滤波器，首先要分析信号的频域特性以及可能噪声的特性来确定滤波器的技术指标，其次构造传递函数，最后根据传递函数来设计滤波器。放大电路可以参考模拟电路中的放大电路来设计。

2)A/D转换

1.基本原理

模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S 接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不

变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。

2.采样保持电路

A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。

2、时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。

3、根据测量系统要求不同以及单片机的忙闲程度,通常可采用3种软件编程方式:程序查询方式,延时方式和中断方式。采用延时方式。延时程序实际上是无条件传送I/O方式,当向A/D转换器发出启动命令

后,即进行软件延时,延时时间稍大于进行一次A/D转换所需要

的时间,之后打开A/D转换器的输出缓冲器读数即为转换好的数字量。A/D转换时间为64个时钟周期,因为系统中ADC0809的工作时钟为500 kHz,故A/D转换时间为128μs,延时时间可大致选择160μs。

3)单片机数字滤波的算法

单片机主要作用是控制外围的器件，并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合，不可避免地要用到数学运算，尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。

在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。

采用数字滤波算法克服随机干扰的误差具有以下优点：

●数字滤波无需其他的硬件成本，只用一个计算过程，可靠

性高，不存在阻抗匹配问题。尤其是数字滤波可以对频率很低

的信号进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。

●数字滤波使用软件算法实现，多输入通道可共用一个滤波

程序，降低系统开支。

●只要适当改变滤波器的滤波程序或运算，就能方便地改变

其滤波特性，这对于滤除低频干扰和随机信号会有较大的效

果。

●在单片机系统中常用的滤波算法有限幅滤波法、中值滤波

法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

（1）限幅滤波算法

该运算的过程中将两次相邻的采样相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定，如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效；否则取上次采样值作为本次数据的样本。

说明：限幅滤波法主要用于处理变化较为缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时，关键要选取合适的门限制A。通常这可由经验数据获得，必要时可通过实验得到。

（2）中值滤波算法

该运算的过程是对某一参数连续采样N次（N一般为奇数），然后把N次采样的值按从小到大排列，再取中间值作为本次采样值，整个过程实际上是一个序列排序的过程。

说明：中值滤波比较适用于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量值变化比较慢，采用中值滤波法效果会比较好，但如果数据变化比较快，则不宜采用此方法。

(3)算术平均滤波算法

该算法的基本原理很简单，就是连续取N次采样值后进行算术平均。说明：算术平均滤波算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近上下波动。信号的平均平滑程度完全到决于N值。当N较大时，平滑度高，灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。为了方便求平均值，N

一般取4、8、16、32之类的2的整数幂，以便在程序中用移位操作来代替除法。

（4）加权平均滤波算法

由于前面所说的“算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的

矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系，可采用加权平均滤波。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数，且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。其中加权平均数字滤波的数学模型是：

式中：D为N个采样值的加权平均值：X N-i为第N-i次采样值；N

为采样次数；C i为加权系数。加权系数C i体现了各种采样值在平均值中所占的比例。一般来说采样次数越靠后，取的比例越大，这样可