基于ARM溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、編編 號(hào)號(hào)期期末末大大作作業(yè)業(yè)題目：題目： 基于基于 ARMARM 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 專業(yè)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 陳志國(guó) 二一六年五月摘要I摘摘 要要本設(shè)計(jì)是基于嵌入式技術(shù)作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0 x ARM微處理器作為主控CPU，PT100作為采集模塊采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論了如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴(kuò)展性。并解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于存在響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，

2、與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。讓我們懂得了怎樣將理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題怎樣用理論去解決。對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題能夠集體討論，查閱資料，深刻研究，并通過(guò)不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)i目目 錄錄摘 要.I目 錄.I第 1 章 設(shè)計(jì)原理.21.11.1 原理概要原理概要.21.21.2 硬件配置硬件配置 .31.21 S3C44B0X.31.22 Pwm.31.23 PT100.31.31.3 實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖.4第二章 設(shè)計(jì)步驟.52.1 功能描述：.52.2. 2 2 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟 .52.21

3、設(shè)計(jì)思路 .52.22 設(shè)計(jì)思路流程圖 .5第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析.7第四章 參考文獻(xiàn).8嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)2第第1 1章章 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理1.11.1 原理概要原理概要嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成：嵌入式微處理器 、外圍硬件設(shè)備 、嵌入式操作系統(tǒng) 。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)

4、技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K 到幾十 K 微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào) ，送到上位機(jī)中進(jìn)行

5、分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時(shí)間（稱采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測(cè)是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測(cè)方法有接觸式和非接觸式，檢測(cè)元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和測(cè)量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的

6、高速發(fā)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的 溫度采集系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。 基于 ARM 的溫度采集系統(tǒng)就成為了解決傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)各種弊端的優(yōu)先選擇方案。溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過(guò)程控制 ,與其它控制系統(tǒng)相比 ,溫度控制系統(tǒng)有其特殊性。例如,對(duì)機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)電系統(tǒng)用線性定常集中參數(shù)的動(dòng)力學(xué)微分方程來(lái)描述,通常不會(huì)帶來(lái)過(guò)大的誤差。然而用同樣的方法來(lái)處理溫度過(guò)程顯然不能令人滿意,因?yàn)闊崮艿膫鬟f是以場(chǎng)的方式進(jìn)行的 ,所以它具有明顯的非線性、時(shí)變性、分布性以及時(shí)間滯后。若用解析的方法為它建模 ,其結(jié)果不是過(guò)于復(fù)雜 ,就是在模型簡(jiǎn)化過(guò)程中 ,失去某些最本質(zhì)的因素 ,

7、使模型和對(duì)象間產(chǎn)生過(guò)大的偏差。因此 ,對(duì)溫度系統(tǒng)的建模 ,通常用經(jīng)驗(yàn)建模,或經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的建模。本文介紹的溫度控制系統(tǒng),通過(guò)改進(jìn)的 PID嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)3控制算法,結(jié)合硬件 ARM7 內(nèi)核的 S3C44B0 微處理器,由傳感器 PT100 獲取溫度信號(hào),通過(guò)自整定獲取最適合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)所需溫度的精確控制。系統(tǒng)包括電加熱器、控制器和溫度傳感器及變換器三部分,構(gòu)成閉環(huán)控制回路。這種主動(dòng)熱控制的特點(diǎn)在于可適時(shí)調(diào)節(jié)被控對(duì)象的熱傳遞效率,對(duì)外部變化反應(yīng)靈敏,溫度調(diào)節(jié)精度高。1.21.2硬件配置硬件配置1.211.21 S3C44B0XS3C44B0XS3C44B0X 是 SA

8、MSUNG 公司出品的一款基于 ARM7TDMI 內(nèi)核的 32 位 RISC 結(jié)構(gòu)的 CPU,是一款高性價(jià)比微處理器。其豐富的片上資源充分保證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn):2.5V 供電的ARM7TDMI 內(nèi)核上增加 8kB 的 Cache;外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器(FP/EDO/SDRAM 控制,片選邏輯);LCD 控制器(最大支持 256 色的 DSTN)并帶有一個(gè) LCD 專用 DMA 通道;2 個(gè)帶有握手協(xié)議的UART,1 個(gè) SIO;5 個(gè) PWM 定時(shí)器及 1 個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;看門(mén)狗定時(shí)器;71 個(gè)通用可編程 I/O 口,8個(gè)外部中斷源;多種功耗控制模式;8 路 10 位 ADC;PLL 時(shí)鐘發(fā)生器等

9、。1.221.22 PwmPwm脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。1.23 PT100pt100 是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100 的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100 溫度為 0時(shí)它的阻值為 100 歐姆，在 100時(shí)它的阻值約為 138.5 歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng) PT100 在 0 攝氏度的時(shí)候他的阻值為 100 歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻增長(zhǎng)的。嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)4圖 1-2-1

10、PT100 與溫度變化關(guān)系嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)51.31.3 實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖 圖 1-3-1 溫度控制系統(tǒng)原理圖圖 1-3-2 .控制系統(tǒng)原理圖第二章第二章 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟2.12.1功能描述：功能描述：1某設(shè)備需對(duì)一個(gè)水罐的水溫進(jìn)行控制，要求水溫恒定在 600.5。假設(shè)罐內(nèi)水溫通過(guò)PT100 鉑熱電阻進(jìn)行采集，經(jīng)信號(hào)變換后輸出電壓是 02.5V；加熱系統(tǒng)可以通過(guò) PWM 輸出方式進(jìn)行調(diào)節(jié)：占空比為 0 時(shí)加熱系統(tǒng)關(guān)閉，占空比為 1 時(shí)滿功率加熱；2用 S3C44B0X 的 A/D 轉(zhuǎn)換器和 PWM 輸出功能設(shè)計(jì)相關(guān)電路；嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)63編寫(xiě)溫度采集程序和加熱系統(tǒng)的 P

11、WM 輸出程序；4編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度調(diào)節(jié)程序，使罐內(nèi)水溫穩(wěn)定在 60；5給出合理的程序注釋。2.2. 2 2設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟2.212.21 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路：工作時(shí),設(shè)定溫度由操作人員通過(guò)鍵盤(pán)完成(此處設(shè)置為 60),并通過(guò) LCD 顯示設(shè)定溫度值;由 Pt100 熱電阻檢測(cè)控制對(duì)象實(shí)際溫度值,經(jīng)過(guò) RWB 溫度變送器和放大電路,將溫度信號(hào)送入 S3C44B0 的 A/D 端口,經(jīng)過(guò)固定公式換算得出實(shí)際溫度并實(shí)時(shí)顯示。程序控制系統(tǒng)將實(shí)際溫度值與系統(tǒng)設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,按照自整定 PID 控制算法進(jìn)行運(yùn)算,確定下一時(shí)間單元輸出 PWM 信號(hào)占空比,以控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間,從而控制外部加熱器

12、的平均輸出功率,實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖 2 是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。2.222.22 設(shè)計(jì)思路流程圖設(shè)計(jì)思路流程圖嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)7開(kāi)始ARM 初始化硬件裝置初始化通信初始化LED 顯示初始化鍵盤(pán)初始化掃描鍵盤(pán)有鍵按下處理數(shù)值相應(yīng)顯示數(shù)據(jù)獲取讀取數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，控制其溫度與設(shè)計(jì)溫度相同數(shù)據(jù)顯示YN由該流程圖可看出，剛上電時(shí)，S3C44B0 x 要先進(jìn)行 ARM 內(nèi)部的初始化，以使 ARM 進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)和模式；然后初始化硬件裝置，以使硬件系統(tǒng)可以正常支持溫度數(shù)據(jù)采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊 pt100 與 ARM 核心控制模塊連接正常；然后初始化 LCD 顯示和鍵盤(pán)，在 LCD

13、 上顯示相應(yīng)的菜單列表，供用戶通過(guò)鍵盤(pán)選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進(jìn)入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。嵌入式系統(tǒng)期末大作業(yè)8在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤(pán)，以快速的響應(yīng)用戶的按鍵操作；若沒(méi)有鍵值按下，則 ARM 立即進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。其主程序包括溫度采集程序、ARM 獲取溫度子程序、溫度處理和轉(zhuǎn)換子程序。當(dāng) ARM處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，變成可被 LCD直接顯示的正確溫度值。第三章第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)分析:此溫度控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間;環(huán)境溫度對(duì)穩(wěn)定過(guò)程有輕微的影響,但對(duì)精度幾乎沒(méi)有影響; 程序能夠較為快速的反應(yīng)并