基于ARM的温度控制系统研究与应用

文 摘 要 在工业生产中，对温度的控制和测量有着非常 广泛的应用，特别是在化工、石油、冶金、电力等工业领域。在产品质量和工业生产过程的顺利进行中，温度的控制对其有着很大的影响。 随着微电子技术和嵌入式的飞速发展， 在自动控制理论的一步步完善下，温度控制系统也在向着更加智能化方向发展。 本文研究国内外温度控制现状的基础上，将嵌 入式与温度控制结合，设计了一个嵌入式温度控制系统，并对系统的组成和软、硬件的设计进行了详细说明。本系统具有采集和响应速度快、 功耗低等特点， 采用的是基于 模糊 度控制系统。 硬件上，本文采用的是 理器作为主控制芯片，对外围电路包括温度检测单元和温度控制单元进行了设计，并且系统还应用了 口电路和以太网接口电路，方便对数据的下载、系统调试和与 之间进行通讯；软件上，对 时操作系统进行了移植及驱动程序的设计，并对温度检测模块、 时器模块、模糊 制算法等应用程序进行了开发设计。本文设计的温度控制系统具有结构简单、可靠性高、响应速度快、抗干扰能力强、体积小等特点。 本文以实验室锅炉的温度为被控对象，分别对常规 制和模糊 制进行了分析。运行结果表明模糊 制策略是行之有效的，模糊 制不仅具有 制的优点，还具有自适应的功能，具有比较好的动态性能和稳态性能。 关键词：模糊 度控制系统； n of a of in is of of in a of is a In of at on of an is ID in as a of to C; of ID In of a In of of ID ID ID is ID ID a 录 第一章 绪论 . 1 题研究背景. . 1 控系统研究现状及发展趋势. 2 入式系统 . 嵌入式系统特点 . 2 入式系统的现状和发展趋势 . 3 度控制策略的研究. 4 文的主要工作. 5 第二章 锅炉温度控制系统的总体控制方案 . 7 统原理. 3理器概述 . 7 介 . . 7 3构和特点 . 串口电路. . 9 ，温度是比较常见控制参数，而温度的测量与控制就有着广泛的应用价值和前景1。在很多工业生产中，温度的控制可以直接影响到产品的质量。在冶炼金属的过程中，对温度有很严格的要求，如出钢温度和出铁温度对于钢锭或生铁铸件的质量是有很大影响的。据统计，如果能够准确的控制冶炼过程中温度情况，节约的金属大约 15，电力消耗将减少大约 17，劳动力消耗将降低大约 182。所以说，对温度的准确测量和控制是工业生产过程中的一个非常重要部分。温度在工业过程中如此的重要，进一步加快了温度测控系统的发展速度。 随着计算机技术和大规模集成电路的飞速发展，电子产品也飞速更新换代，而针对测控设计的微控制器也不断更新，使得测控系统进入了一个崭新的领域。 在 20世纪 40年代之前，工业的生产基本上都处于手工状态。 50年代，少数工业企业的生产过程中采用了基地式仪表和气动仪表，实现了温度测量的仪表化和局部控制的自动化。 60年代，随着工业生产的发展，测控系统经历了数据采集系统、直接数字控制系统以及监督控制系统这几种表现形式3。气动和电动单元组合仪表，并且计算机为核心的测控系统也开始应用于生产领域中。这个阶段的测控模式特点是系统的信号处理和运算由控制计算机来完成，并且测量仪器和执行器对信号不进行运算处理。 70年代，随着大规模集成电路和各种微处理器的快速发展，微处理器具备程序检测控制的功能，并且在温度测控系统中得到了广泛的应用。 80年代，出现了集散控制系统( 又称为分布式控制系统4。它的特点是以微处理器等控制器为核心，实现了设备分散、控制信息集中的功能，由高速数据通道与各个模块或设备连接，再经过通讯接口与局域网络相连，使设备之间的相互通讯，数据库和系统的资源相互共享，提高了系统的可靠性，提供友好的人机交互接口。 总之，温控系统对工业生产和国民经济都具有非常重要价值和意义。在近几年来，工业对温度的精度、实时性、稳定性的要求越来越高，特别是先进的温度控制系统的需求越来越大，尽管目前国内市场上的温度控制装置不在少数，而且制作工艺和性能也在不断提高，但是和国外的同类产品相比，功能上、智能化程度、可靠性方面仍然有欠缺。由于国外的产品价格比较昂贵，所以提高技术水平，生产自主研发出价格合理的产品有很大意义。 控系统研究现状及发展趋势 温度控制系统要求温度可以按照设定的变化规律变化， 并且具有自我学习和自适应的能力。目前，普遍采用单片机或 现温度采集和控制，基本上能够满足大部分的控制要求，但是在一些要求精度高、实时性好、控制算法复杂的生产环境中，单片机就无法满足要求了。随着科学技术水平的提高， 32位 电设备和工业控制等领域，满足了高精度、实时性好、控制算法复杂的技术要求。在温度控制系统中采用嵌入式系统作为核心控制器，可以满足温度控制系统方面的高技术指标的控制要求，并且它具有体积小、运算速度快和人性化的操作界面等优点，因此有着非常好的前景。目前国内外已经有很多的温度控制系统采用2位 能低的价格，执行速度快稳定性好的特点被广泛应用。因此，温度控制系统将随着国内外发展趋势向高端嵌入式方向发展，所以本课题的研究既有一定的学术意义，又有一定的使用价值。 入式系统 根据：嵌入式系统(用于控制、监视或者辅助操作设备、机器和工厂的装置。在中国嵌入式系统的概念是6：以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。一般是由微处理器、外围硬件设备、操作系统和应用程序等部分组成，用来对其他设备的控制、监视和管理7。嵌入式系统不像一般的计算机系统，它没有像硬盘容量这样大的存储设备，大多是使用 着技术的发展，为了满足嵌入式系统的应用要求，不断扩展着外围设备，如 盘、扩展接口和电源检测等。 入式系统特点 嵌入式系统的核心是它的微处理器。与寸和功耗等方面的设计。其主要特点8括： (1)对实时多任务处理的支持，较短的中断响应时间，代码的执行时间减少到最低限度； (2)存储区保护功能支持，使软件模块间避免出现错误的交叉作用，利于软件诊断； (3)处理器结构的可扩展性，可以扩展出满足特定要求的高性能微处理器； (4)功耗低，对便携式的无线设备和移动的通信设备的功耗的要求非常严格。 在过去的应用大多数是 8 16位单片机设备13，这是嵌入式系统的初级阶段。随着网络时代的来临， 机顶盒、 路由器和调制解调器等 所以说， 的基础设备也都是嵌入式系统的一部分，而在高端嵌入式系统的应用中，一般都是 32位2位 以满足产品的开发要求，提供给嵌入式应用一种更有效的内核选择。本文选用的是以 2位 嵌入式系统的软件可以分为嵌入式操作系统和用户应用软件。在较早的嵌入式系统中，因为系统的复杂性不高，嵌入式系统一般没有操作系统，而是由用户应用程序直接对硬件进行读写操作控制和管理等。随着技术的进步与系统的复杂性的提高，这时的嵌入式系统则增加了操作系统。 嵌入式操作系统括系统内核、底层硬件的驱动程序、设备驱动接口、根文件系统、用户应用程序、操作命令文件及图形界面等。它具有的基本特点有：复杂的系统资源可以有效管理；实现软件模块化，开发人员就可以从繁杂的驱动程序编写和测试中解脱出来；提供丰富的库函数、驱动程序等。它和一般的操作系统相比，嵌入式操作系统在实时性、高效性、软件模块化以及应用的专用性等方面具有明显的优势。 嵌入式操作系统种类很多，大体可分为实时操作系统和非实时操作系统，实时操作系统根据确定性的强弱可以分为硬实时、软实时系统，硬实时系统是对系统响应时间有严格的要求，如果在响应时间内系统不能满足，则要引起系统崩溃或发出致命的错误；软实时系统是对系统的响应时间有一定的要求，但是在响应时间内系统不能满足，不会发生系统崩溃或者出现致命错误。实时操作系统有： S、 实时操作系统有： E、S、 前，比较常用的嵌入式操作系统有： E、 S、 入式系统的现状和发展趋势 嵌入式操作系统可广泛应用个人家庭、工业、商业、通讯行业和国防等，嵌入式操作系统的产品在形态上丰富多样，市场潜力很大，在未来几年里，嵌入式软件也将有着很好的市场前景。随着微电子技术的迅猛发展，嵌入式系统将面临巨大的机遇和挑战。 未来嵌入系统的发展将有以下几个趋势： (1)嵌入式产品将和互联网相互促进，共同发展，而嵌入式产品将是互联网的主要终端。 (2)在微电子技术的飞快发展下， 芯片的功能将会越来越强大， 片上系统 会成为趋势，在缩小产品体积和降低产品成本的同时，还提高了产品的可靠性。 4(3)嵌入式软件将在无线通讯产品中占的比重与日俱增， 无线产品将借助嵌入式软件提高自身的性能，嵌入式产品将增加无线通讯的功能。 (4)由于嵌入式操作系统在不同的硬件平台发展，随着信息交换、资源共享，嵌入式系统也广泛的应用，建立相关标准将成为未来关注的焦点。 目前嵌入式产品己经在社会生活和国民生产的各个领域普遍应用，如：国防、工业控制、交通管理、家庭智能管理、环境检测、机器人等领域。嵌入式系统一般用于信号处理和系统控制16，由于它的体积小、功能强、稳定性好、可靠性高等诸多优点，在现代人们日常生活的的许多方面都有广泛应用。它对其他行业的技术革新、加速自动化进程和提高生产率等方面也起到了重要的推动作用。 度控制策略的研究 开发一个实际的温度控制系统，首先要对系统控制对象的特性、系统的构成及所有资源有一个整体了解，而系统的构成的确定需要对整体系统做一个综合考虑。在系统的构成确定后，开始对系统的控制策略进行研究，通过对系统温度的动态响应和控制精度等特性的分析，通过大量的实验提出一种合适的控制算法。对于上述这些特点，简要的讨论一下控制策略。 对温度的控制策略方面研究可以分为基于模型的控制和无模型控制。有模型控制就是由前人或者自己根据系统的结构和特征建立的数学模型，在此基础上对被控对象进行经典控制的研究；无模型控制是根据采集到的温度数据，采用智能控制或者估计过程的控制来对温度进行控制17 目前的控制算法中比较常见的有糊控制和神经网络控制等。而工业过程控制中，工作原理主要是通过调节 其适应于各种不同的被控对象，它的特点19是结构简单，容易实现，不需要精确的系统模型；模糊控制是模糊逻辑描述的过程控制算法，包含了操作者的经验和直觉的知识。它适合对复杂系统、难以建立数学模型的系统及数学模型不确定或者经常变化的对象能实施简单而有效的控制；神经网络是采用数学模型的方法，对神经细胞结构进行模拟，完成信息记忆和处理而构成的信息处理方法，具有很好的自适应、自学习能力，可对复杂的非线性系统建模。 本文所设计的系统是具有一定通用性的温度控制系统，针对被控对象没有负的输入和温度一旦超凋只能依靠自然冷却达到设定温度值的特点，采用了模糊 文的主要工作 本文以温度控制作为研究对象， 使用 3于 对软硬件进行了设计与实现。主要工作如下： (1) 硬件方面介绍了系统核心板的结构并设计与制作了温度控制系统的外围电路。系统核心板的介绍包括系统模块、串口电路、 A/储器模块等几部分 ;外围电路包括温度检测电路和加热控制电路两部分。 (2) 软件方面对嵌入式系统及其设计开发的基础知识进行了简单介绍，并详细介绍了 3对引导程序（ 文件系统、 现了操作系统的运行，为用户应用程序提供了软件环境。 (3)介绍了模糊控制的工作原理，对模糊实验室的锅炉的蒸汽温度为被控对象， 根据采集的数据对模糊 6 7第二章 锅炉温度控制系统的总体控制方案 统原理 本温度控制系统的主要组成部分有：主控制电路，模拟电路，数据存储模块，输入输出模块，通讯模块等。主控制电路是该锅炉温度控制系统的核心部分， ，再由控制算法对温度量进行处理，计算出控制信号的占空比，通过输出电路对温度进行自动控制。通过串口电路与 统原理框图如图 统原理图 3理器概述 介 微处理器行业的一家知名企业，也可以认为它是一类微处理器的统称，还可以把它当作是一种技术。 不直接从事芯片生产，而是作为知识产权供应商，把它们设计的许可转让给其它购买公司，再由购买公司生产各自功能不同的芯片，购买到入自己适合的外围电路，形成自己的前，全世界有几十家大的半导体公司都是用 此既使得造、软件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 当前 个产品系列： 中 一代无线设备（视频电话和 数字消费品（机顶盒、家庭网关、 成像设备（打印机、 8数码照相和数码摄像机）、工业控制、汽车、通讯和信息系统等。其主要特点有20： （1） 5级整数流水线，指令执行效率更高。 （ 2）支持 32位 6位 （ 3）支持 32位的高速 线接口，集成有高性能总线 进系统总线 进外围总线 （ 4） 支持 （ 5）全性能的 持 E、 （ 6）支持数据 有更高的指令和数据处理能力。 （ 7）支持实时操作系统。 3构和特点 低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构 333 ， 是一个由 6/32位 一结构具有独立的 166个都是由具有 8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设， 片集成了以下部分:外部存储器控制器、 9大支持 456 4个 3个 2个1个 1个 8通道 10位 5个 通道内部定时器、看门狗定时器、以太网接口、 1。如此高性能，低功耗，外围扩展方式灵活的处理器，价格却是很低廉。 因此基于 2位架构的处理器将会在微控制器领域中带来全新的设计理念。 口电路 供了三个独立的异步串行 I/个端口都可以在中断模式或换言之， 用系统时钟可以支持最高 个 个 64位的 本系统采用 际上要完成通讯只需要接受数据（ 发出数据 (信号地（ 可。串口通信之前需要进行初始化操作，设定 特率、停止位和校验位数等。本系统采用 9芯 路原理图如 口电路原理图 .3 A/D 模块 通道 10位模拟输入的循环类型设备，是 数转换器)，其转换模拟输入信号到 10位的数字编码，支持片上采样和保持功能及掉电模式。其主要特性: 10位 士 5000本系统采用 。采集到的模拟信号由温度传感器经过线性化处理送入 A/过 A/经过计算得到相应的温度值。 块 片中有 5 个 16 位的定时器，其中 4 个定时器具有脉宽调制功能，定时器 4 有个没有输出引脚的内部定时器，定时器 0 有一个用于大电流设备的死区发生器， 部定时器模块的部分结构图如图 示。定时器 0、 1 共用一个 8 位的预分频器，定时器 2、 3、 4 共用另外一个 8位的预分频器，这两个时钟分频器都能产生 5 种不同的分频信号（即 1/2、 1/4、 1/8、 1/16和 时钟分频器从相关的 8 位预装器接受时钟信号， 8 位预装器根据 存器的值对 行分频。 通过引脚 出的，这四个引脚与 用的，因此要实现 能就要把相应的引脚置成 111/41/81/161/41/81/163部定时器模块部分结构图 of of 3s 储器 本低、容量大、掉电数据不丢失等一些优点，是一种安全、快速的存储体。存储模块由两部分组成，分别是 系统9量为 256要用来存储采集的数据以及应用程序，其接口原理图如图 29 量 为 2要用来存储系统启动程序和系统内核 ,其接口原理图如图 12I/643I/441I/231I/0297口原理图 029口原理图 同步动态随机存储器，与其存取速度大大高于 有读写的属性，因此 据及堆栈区22。 13当系统启动时， 完成系统的初始化后，程序代码一般调入 提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在 是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新 (充电 )。因此要在系统中使用 要求微处理器具有刷新控制逻辑，或是在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 方便地与 本系统采用现代公司的 了充分发挥2位数据处理能力，采用了两片 2位的量为 64以满足嵌入式操作系统及各种相对复杂的算法运算要求 ,接线原理图如图 围电路的设计 本系统外围电路包括温度检测电路设计和加热控制电路两部分， 要实现温度的测量、采集温度信号以及根据实际情况对温度的加热进行控制。 度检测电路设计 电阻测温原理232425 在工业生产中热电偶主要应用于 500以上的较高温度。在 500以下的温度中，热电偶的输出热电势很小，很难精确测量；而在较低温度范围中，冷端温度变化而引起的相对误差也较大。热敏电阻的温度系数比较大，常温下的阻值通常在几千欧以上，非线性严重，测温范围在 00，在家电和汽车的温度检测和控制上应用广泛。金属热电阻的测温范围为 00，测量准确、稳定性好、性能可靠，过程控制中广泛应用。 热电阻是基于电阻的热效应来测量温度的，即随着温度的上升热电阻的电阻体阻值也近似均匀的增长。所以只要测量出变化热电阻的阻值就可以测量出温度值。 金属热电阻的阻值随温度的变化而变化的近似计算公式： 01 ( 0) （ 2其中 0 温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法的到电阻值（电压/电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。热电阻与温度变送器之间存在着一定的距离，所以热电阻的引线会对温度的测量结果有着很大的影响。而影响高精度热电阻温度测量的误差的原因还有：激励源精度引起的误差，前向放大电路零点和增益的误差以及温度漂移，热电阻出厂时自身电阻的容许误差，电阻电阻测温校准 用铂电阻测温时，温度的变化就转换为电阻阻值的变化，温度的测量转换为电阻的测量。以热电阻作为电桥的一臂，由电桥把电阻的变化转换为电压的变化，再通过仪表测量或者由