基于ARM的嵌入式温度控制系统设计

毕业设计说明书( 论文)作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目：基于 ARM 的嵌入式温度控制系统的设计指导者： 评阅者： 南京工程学院毕业设计（论文）摘 要温 度 的 测 量 和 控 制 在 工 业 生 产 中 有 广 泛 的 应 用 ， 尤 其 在 石 油 、 化 工 、 电 力 、冶 金 等 工 业 领 域 中 ， 对 温 度 的 测 量 和 监 控 是 非 常 重 要 的 一 个 环 节 ， 温 度 参 数 是工 业 控 制 中 的 一 项 重 要 的 指 标 。本 文 主 要 研 究 了 基 于 ARM7 架 构 的 嵌 入 式 系 统 对 于 温 度 控 制 的 应 用 ， 它 基于 ARM7 内 核 的 LPC2124, 以 DS1820 采 集 温 度 信 号 , 通 过 RWB 温 度 变 送器 和 A/D 转 换 获 得 实 际 温 度 值 , 同 时 通 过 LCD 实 时 显 示 ; 此 温 度 控 制 系 统应 用 于 热 电 仪 , 实 际 应 用 表 明 , 系 统 稳 定 、 可 靠 , 满 足 了 热 电 仪 的 温 度 控 制 要求 。关 键 词 ： ARM； Proteus； 嵌 入 式 系 统 ； 温 度 控 制 系 统南京工程学院毕业设计（论文）AbstractMeasurement and control of temperature is widely used in industrial production, especially in the petroleum, chemical, electric power, metallurgy and other industrial fields, measurement and monitoring of the temperature is a very important link, the temperature parameter is an important index in industrial control.This paper mainly studies the ARM7 based embedded system for the application of temperature control based on ARM7, which based on the LPC2124 kernel, the DS1820 collecting temperature signal, to obtain the actual temperature value through the RWB temperature transmitter and A/D conversion, at the same time through the LCD real time display; This paper introduces the principle, the system implementation process, gives some application circuits. This temperature control system used in the power system, the practical application shows that the system is stable and reliable, meet, the thermoelectric instrument temperature control requirements.Key words： ARM； Proteus； Embedded system； Temperature control system南京工程学院毕业设计（论文）目 录第 一 章 绪 论 .11.1 引 言 .11.2 选 题 背 景 与 意 义 .11.3 研 究 现 状 .21.4 论 文 主 要 研 究 内 容 .31.5 主 要 章 节 安 排 .3第 二 章 开 发 工 具 的 介 绍 .42.1 Proteus 的 功 能 .42.1.1 Proteus 的 功 能 简 述 .42.1.2 资 源 丰 富 .52.1.3 电 路 仿 真 .52.2 ADS1.2.62.2.1 ADS 种类 .62.2.2 软件组成 .7第 三 章 软 硬 件 介 绍 .83.1 ARM .83.1.1 ARM 简 介 .83.1.2 ARM7.83.2LPC2124 处 理 器 .93.2.1LPC2124 简介 .93.2.2 特性 .93.2.3 结构 .103.2.4 引脚描述 .113.3 硬 件 系 统 的 整 体 结 构 .113.3.1 硬件系统的设计原则 .113.3.2 系统硬件的整体结构 .123.3.3 基本硬件组成 .12第 四 章 软 件 设 计 .174.1 系 统 软 件 的 整 体 结 构 .174.2.1 测控系统 .184.2.2 显示数字功能 .194.2.3 A/D 转换数据采集程序功能与实现 .21第 五 章 总 结 与 展 望 .255.1 全 文 总 结 .255.2 后 续 工 作 及 展 望 .25致 谢 .27参 考 文 献 .28附 录 .29南京工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 43 页第 一 章 绪 论1.1 引 言嵌 入 式 系 统 这 几 年 被 广 泛 应 用 于 各 种 工 业 领 域 、 无 线 通 信 领 域 、 智 能 仪 表 ，消 费 电 子 等 各 个 领 域 ， 离 不 开 微 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 它 主 要 用 于 各 种 嵌 入 式应 用 ， 以 将 计 算 机 硬 件 和 软 件 相 结 合 的 手 段 ， 完 成 指 定 的 任 务 和 功 能 。 嵌 入 式系 统 在 系 统 可 分 为 分 为 系 统 级 ， 电 路 板 级 ， 设 备 级 。 系 统 级 指 的 是 各 种 工 业控 计 算 机 ， 板 级 是 指 CPU 的 主 板 和 OEM(原 始 设 备 制 造 商 )的 产 品 ， 最 常 见 的设 备 是 一 个 单 片 微 机 ， 其 后 嵌 入 式 应 用 越 来 越 广 泛 ， 很 多 半 导 体 厂 商 致 力 于 研发 嵌 入 式 微 处 理 器 ， 并 有 出 现 许 多 支 撑 嵌 入 式 应 用 的 嵌 入 式 操 作 系 统 。 一 般由 于 某 一 领 域 有 着 特 殊 要 求 ， 嵌 入 式 系 统 必 须 做 出 相 应 的 调 整 ， 不 仅 要 求 产品 体 积 够 小 ， 能 够 实 时 掌 握 现 场 情 况 ， 系 统 在 任 何 工 作 环 境 中 都 能 出 色 的 完 成任 务 ， 又 要 求 产 品 具 有 令 人 满 意 成 本 和 效 益 。 因 此 ， 嵌 入 式 系 统 的 发 展 ， 如何 选 择 特 定 的 应 用 的 嵌 入 式 处 理 器 ， 并 且 嵌 入 式 操 作 系 统 该 如 何 匹 配 是 十 分 重要 的 。温 度 控 制 系 统 的 最 大 特 点 是 过 程 控 制 , 跟 其 它 控 制 系 统 的 不 同 是 温 度 控 制系 统 有 其 独 特 的 特 性 。 比 如 ， 该 系 统 是 由 机 械 和 机 电 为 对 象 ， 以 微 分 方 程 求 解线 性 定 长 参 数 的 动 态 问 题 ， 这 种 情 况 是 但 是 用 一 样 的 手 段 来 解 决 温 度 过 程 中的 问 题 不 会 得 到 较 好 的 结 果 ， 这 是 由 于 场 下 是 不 容 易 产 生 较 大 的 误 差 。 热 能的 传 送 形 式 , 所 以 它 具 备 直 观 的 非 线 性 、 时 变 性 、 分 布 性 以 及 时 间 滞 后 的 特 性 。如 果 你 使 用 分 析 的 方 法 来 建 模 ， 其 结 果 通 常 是 非 常 复 杂 的 ， 或 在 对 模 型 进 行简 化 中 ， 失 去 一 些 些 最 重 要 的 因 素 , 使 得 模 型 跟 对 象 很 难 一 致 。 对 此 ， 对 温度 系 统 的 建 模 , 通 常 使 用 的 是 实 证 模 型 ， 或 理 论 分 析 与 实 证 研 究 。 本 文 对 温度 控 制 系 统 进 行 了 研 究 ， 并 阐 述 了 优 化 的 PID 控 制 算 法 ， 利 用 微 处 理 器LPC2124， 具 有 ARM7 内 核 ， 通 过 传 感 器 DS1820 温 度 信 号 的 采 集 ， 在 自 整 定实 现 实 时 控 制 系 统 最 有 效 的 参 数 ， 准 确 地 控 制 所 需 的 温 度 。 系 统 由 电 加 热 器 、控 制 器 和 温 度 传 感 器 及 变 换 器 三 部 分 组 成 ， 形 成 闭 环 控 制 回 路 。 在 自 整 定 实现 实 时 控 制 系 统 最 有 效 的 参 数 ， 准 确 地 控 制 所 需 的 温 度 。1.2 选 题 背 景 与 意 义南京工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 43 页近年来，在生产、生活中的各种应用的出现，增加了微电子技术和嵌入式技术的需要，同时也促进了自动控制理论，不断发展，尤其是工业控制对象特定的工业控制器，测量和控制系统的设计进入了一个新的领域。对温度的测量和控制具有重要的意义，尤其是在工业生产中，在石油，化工，冶金，电力行业这样的一个重要的工业领域。热处理炉，熔融金属的坩埚炉，以及各种反应器工业中非常普遍，许多行业需要大量的加热装置，因此，温度在有关温度的控制中就成为了非常敏感的参数。由于类型，目的，方式的不同，不同的加热方法也是不一样的，比如用石油提炼气体、汽油，发电厂发电的方式等等，但它用来控制的系统是不断变化的，基本上属于非实时性的。因为温度在各种熔炼生产中非常常见，它也属于最重要的的控制因素之一，所以对关于温度的测量和控制的技术和开发具备巨大的实际利用价值和应用前景。尤其是在许多工业场合中，产品的质量、设备运行的安全性和经济性直接受温度的影响，例如对电厂锅炉的蒸汽温度进行控制，整个过程都需要严格的控制和测量。通常过热器使用在大于 10低于 20下的环境中，它的使用年限会大大减少，严重影设备安全使用，对生产和人员造成非常大的潜在危害。太低的过热蒸汽温度，会降低设备的运转效率。倘若汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，就会造成汽轮机叶片磨损，一般情况下汽温每降低 10，循环热效率就会降低约 0.5。1.3 研 究 现 状借助于越来越先进的互联网技术，通过多年的发展，嵌入式系统又迎来了第二次革新时代，最初的只有低端应用，现在是各种高端和低端应用同时流行，而且对要求及较低的嵌入式系统也不停的发展，这几年 32 位 MCU 的出现也是新兴的产品。目前电流控制方案是基于传统的 PLC 和单片机控制，可满足大多数用户的需要。PLC 在大多数情况下用于简单工程跟很少重复的工程，其缺点是不够灵活，而且占用空间，代价较高，若想增加功能需要较多的额外组件；而单片机主要出现在小型设备的控制中，特别是用于控制专业电子设备，其优点是花费少，耗能低，运行速度快，其缺点是诸如程序只能在最初使用时装入，未来不能由用户修改，外围设备的控制的能力和抗干扰能力都比较低。为了适应信息产业的发展，现代化的发展，新的技术创新和产业化，本文采用 32 位 ARM7 嵌入式 LPC2124 ATMEL 微控制器南京工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 43 页实现温度控制，它具有良好的可扩展性，可靠性高，精度高，测量和多任务实时调度控制，响应速度快，体积小等优良特性，在实际应用中已成为用户的首选。1.4 论 文 主 要 研 究 内 容该本论文涉及的理论基础，嵌入式 ARM 的温度控制系统的硬件接口功能，C语言函数，按照顺序，主要包括了以下几个方面：一方面我们在 ARM7，理论基础，系统的组成，分类、应用领域和研究现状进行了综述，分析了研究的难点，并探讨学习遇到的困难。接着，我们对本设计中用到的 ARM7 的各个接口功能作了介绍，对于多余的接口可以适当的增加系统功能，使设计更加完善。另一方面，本设计完全在 proteus 软件中进行仿真，对 Proteus 也进行了详尽的介绍。程序的编辑、编译用到了 ADS1.2，对 ADS1.2 的种类和软件组成作了简单的介绍。最后，就全文的成果加以总结，讨论了添加液晶显示屏以使系统具有良好的人机交互界面的必要及对进一步研究的展望。1.5 主 要 章 节 安 排首 先 介 绍 了 课 题 研 究 的 背 景 和 对 实 际 生 产 生 活 的 意 义 。 第 一 章 总 体 的 介 绍设 计 的 内 容 。 第 二 章 主 要 介 绍 了 ARM的 结 构 ， 描 述 了 Proteus软 件 应 用 ， 介 绍了 ADS1.2。 第 三 章 专 门 分 析 了 硬 件 设 计 所 需 要 注 意 的 问 题 ， 选 择 什 么 处 理 器 和温 度 传 感 器 。 第 四 章 主 要 阐 述 软 件 的 设 计 ， 每 个 功 能 的 实 现 都 对 应 一 段 程 序 代码 。 第 五 章 给 出 了 综 合 测 试 的 结 果 ， 对 发 现 的 问 题 进 行 讨 论 并 提 出 解 决 办 法 。最 后 给 出 结 论 ， 并 对 课 题 未 来 的 发 展 做 出 合 理 的 展 望 。南京工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 43 页第 二 章 开 发 工 具 的 介 绍2.1 Proteus 的 功 能Proteus 用用软件是英国的一个实验室中心研发的 EDA 软件工具（广州风标电子技术有限公司代理该软件在中国的使用权） 。它应用丰富，不但拥有别的同样软件的功能，还能够对单片机进行仿真，模拟外接模块。在单片机的教学试验中已经成为首选。软件如图 2.1 所示图 2.1 Proteus 软件图2.1.1 Proteus 的 功 能 简 述Proteus 软件具备常用的 EDA（如：MULTISIM ）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB 自动或人工布线3SPICE 电路仿真革命性的特点1互动的电路仿真比如随机存储寄存器，只读存储器，键盘，引擎，LED，LCD，模数转换，数模转化，一些 SPI 元件，个别 IIC 元件的模块， 用户也可以实时采用。2仿真处理器及其外围电路南京工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 43 页仿真主流芯片，如 51 系列，AVR 单片机，PI，ARM 芯片等。 1也可以直接在基于虚拟样机原理图设计，再加上显示输出，看到运行后输入输出的影响。2.1.2 资 源 丰 富1 Proteus 仿 真 组 件 可 以 提 供 资 源 ： 数 字 和 模 拟 仿 真 、 AC 和 DC， 成 千上 万 的 成 分 ， 有 30 多 个 元 件 库 。2 Proteus 仿 真 组 件 包 含 许 多 显 示 模 块 ： 示 波 器 、 逻 辑 分 析 仪 、 虚 拟 终 端 、SPI 调 试 器 、 I2C 调 试 器 、 信 号 发 生 器 、 模 式 发 生 器 、 交 直 流 电 压 表 、 交 直 流 电流 表 。 理 论 上 相 同 的 仪 器 可 以 在 一 个 电 路 中 任 意 调 用 。3 除 了 在 生 产 生 活 已 经 应 用 的 一 起 ， Proteus 格 外 增 加 了 一 个 显 示 图 像 的功 能 ， 能 够 对 线 路 上 信 号 的 改 变 给 予 实 时 的 显 示 ， 示 波 器 也 具 有 此 功 能 ， 但Proteus 功 能 更 多 。 1这 些 仿 真 的 模 块 能 设 置 合 格 的 参 数 指 标 ， 如 输 入 阻 抗 和输 出 阻 抗 都 非 常 低 。 这 些 都 尽 量 减 少 了 仪 器 质 量 对 测 量 结 果 的 影 响 。4 Proteus 具 有 更 加 全 面 的 测 试 信 号 ， 用 于 测 试 电 路 。 测 试 信 号 包 含 模 拟和 数 字 信 号 。2.1.3 电 路 仿 真用 PROTEUS 搭 建 模 型 ， 完 成 后 导 入 用 ADS1.2 编 辑 编 译 成 功 的 目 标 程 序 ：*.HEX， 就 能 够 在 PROTEUS 中 看 到 与 实 物 完 全 相 同 的 运 行 效 果 。PROTEUS 是 一 种 先 进 的 单 片 机 课 堂 教 学 助 理 。PROTEUS 能 够 模 拟 单 片 机 的 功 能 ， 而 且 更 具 有 形 象 化 ， 还 能 模 拟 单 片 机做 的 实 例 。 前 者 可 在 相 当 程 度 上 物 理 演 示 实 验 的 效 果 ， 后 者 的 效 果 是 很 难 通过 实 物 演 示 实 验 达 到 的 。它 的 优 点 之 一 是 与 组 件 、 线 路 等 跟 原 始 的 单 片 机 实 验 硬 件 兼 容 。 课 程 设计 、 毕 业 设 计 的 完 成 是 学 生 将 理 论 转 化 为 实 践 的 重 要 环 节 ， 也 是 成 功 就 业 的前 提 。 因 为 各 种 种 类 繁 多 的 组 件 一 般 实 验 室 不 可 能 完 全 拥 有 的 ， 但PROTEUS 拥 有 所 有 的 元 器 件 模 块 ， 还 能 更 具 目 的 方 便 的 修 改 电 路 设 计 ， 随 着科 技 的 发 展 ， “计 算 机 仿 真 技 术 ”已 成 为 许 多 设 计 部 门 重 要 的 前 期 设 计 手 段 。 它能 够 灵 活 的 设 计 模 块 ， 而 在 设 计 过 程 中 能 随 时 查 看 结 果 。 能 够 把 设 计 时 间 大大 缩 短 ， 成 本 最 大 化 的 减 少 ， 也 降 低 了 工 程 制 造 的 风 险 。 我 相 信 ， PROTEUS在 单 片 机 开 发 应 用 中 也 会 被 越 来 越 多 的 应 用 。南京工程