基于ARM的温度控制系统设计

编编 号号 期期末末大大作作业业 题目 题目 基于基于 ARMARM 的温度控制系统设计的温度控制系统设计 物联网工程 学院 计算机科学与技术 专业 学 号 学生姓名 指导教师 陈志国 二 一六年五月 摘要 I 摘摘 要要 本设计是基于嵌入式技术作为主处理器的温度采集系统 利用S3C44B0 x ARM微处理器作 为主控CPU PT100作为采集模块采集数据 实现了智能化的温度数据采集 传输 处理 与显示等功能 并讨论了如何提高系统的速度 可靠性和可扩展性 并解决了传统的数 据采集系统由于存在响应慢 精度低 可靠性差 效率低 操作繁琐等弊端 能够完全 适应现代化工业的高速发展 通过本次课程设计 锻炼了理论联系实际 与具体项目 课题相结合开发 设计产 品的能力 让我们懂得了怎样将理论应用于实际 又让我们懂得了在实践中遇到的问题 怎样用理论去解决 对设计中出现的问题能够集体讨论 查阅资料 深刻研究 并通过 不断地发现问题 解决问题 提高发现问题和解决问题的能力 嵌入式系统 期末大作业 i 目目 录录 摘 要 I 目 录 I 第 1 章 设计原理 2 1 11 1 原理概要原理概要 2 1 21 2 硬件配置硬件配置 3 1 21 S3C44B0X 3 1 22 Pwm 3 1 23 PT100 3 1 31 3 实验原理设计图实验原理设计图 4 第二章 设计步骤 5 2 1 功能描述 5 2 2 2 2 设计步骤设计步骤 5 2 21 设计思路 5 2 22 设计思路流程图 5 第三章 实验结果及分析 7 第四章 参考文献 8 嵌入式系统 期末大作业 2 第第1 1章章 设计原理设计原理 1 11 1 原理概要原理概要 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 且软硬件可裁剪 适应应 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 它一般由 以下几部分组成 嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统 嵌入式系统 是面向用户 面向产品 面向应用的 它必须与具体应用相结合才会具有生命力 才 更具有优势 因此嵌入式系统是与应用紧密结合的 它具有很强的专用性 必须结合 实际系统需求进行合理的裁减利用 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术 和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技 术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 嵌入式系统必须根据应用 需求对软硬件进行裁剪 满足应用系统的功能 可靠性 成本 体积等要求 所以 如果能建立相对通用的软硬件基础 然后在其上开发出适应各种需要的系统 是一个 比较好的发展模式 目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K 到几十 K 微内核 需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减 但是由于微内核的存在 使得这种扩展 能够非常顺利的进行 数据采集 DAQ 是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采 集非电量或者电量信号 送到上位机中进行分析 处理 数据采集系统是结合基于计 算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的 用户自定义的测量系统 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量 如温度 水位 风速 压力等 可以 是模拟量 也可以是数字量 采集一般是采样方式 即隔一定时间 称采样周期 对 同一点数据重复采集 采集的数据大多是瞬时值 也可是某段时间内的一个特征值 准确的数据量测是数据采集的基础 数据量测方法有接触式和非接触式 检测元件多 种多样 不论哪种方法和元件 均以不影响被测对象状态和测量环境为前提 以保证 数据的正确性 传统的温度采集系统由于存在响应慢 精度低 可靠性差 效率低 操作繁琐等 弊端 已经不能完全适应现代化工业的高速发展 随着嵌入式技术的迅猛发展 设计 高速度 高效率 低成本 高可靠性 操作方便的 温度采集系统成为当务之急 基 于 ARM 的温度采集系统就成为了解决传统温度采集系统各种弊端的优先选择方案 温 度控制系统是一种典型的过程控制 与其它控制系统相比 温度控制系统有其特殊性 例如 对机械系统或机电系统用线性定常集中参数的动力学微分方程来描述 通常不 会带来过大的误差 然而用同样的方法来处理温度过程显然不能令人满意 因为热能 的传递是以场的方式进行的 所以它具有明显的非线性 时变性 分布性以及时间滞 后 若用解析的方法为它建模 其结果不是过于复杂 就是在模型简化过程中 失去某 些最本质的因素 使模型和对象间产生过大的偏差 因此 对温度系统的建模 通常用 经验建模 或经验与理论分析相结合的建模 本文介绍的温度控制系统 通过改进的 PID 嵌入式系统 期末大作业 3 控制算法 结合硬件 ARM7 内核的 S3C44B0 微处理器 由传感器 PT100 获取温度信号 通过 自整定获取最适合系统的实时控制参数 实现对所需温度的精确控制 系统包括电加热器 控制器和温度传感器及变换器三部分 构成闭环控制回路 这种主动热控制的特点在于可 适时调节被控对象的热传递效率 对外部变化反应灵敏 温度调节精度高 1 21 2硬件配置硬件配置 1 211 21 S3C44B0XS3C44B0X S3C44B0X 是 SAMSUNG 公司出品的一款基于 ARM7TDMI 内核的 32 位 RISC 结构的 CPU 是一款高性价比微处理器 其丰富的片上资源充分保证了本系统的实现 2 5V 供电的 ARM7TDMI 内核上增加 8kB 的 Cache 外部扩充存储器控制器 FP EDO SDRAM 控制 片选逻辑 LCD 控制器 最大支持 256 色的 DSTN 并带有一个 LCD 专用 DMA 通道 2 个带有握手协议的 UART 1 个 SIO 5 个 PWM 定时器及 1 个内部定时器 看门狗定时器 71 个通用可编程 I O 口 8 个外部中断源 多种功耗控制模式 8 路 10 位 ADC PLL 时钟发生器等 1 221 22 PwmPwm 脉冲宽度调制 PWM 是英文 PulseWidthModulation 的缩写 简称脉宽调制 是 利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应用在从 测量 通信到功率控制与变换的许多领域中 1 23 PT100 pt100 是铂热电阻 它的阻值跟温度的变化成正比 PT100 的阻值与温度变化关系为 当 PT100 温度为 0 时它的阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约为 138 5 欧姆 它的工 业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆 它的阻值会随着温度上升而 成匀增长的 嵌入式系统 期末大作业 4 图 1 2 1 PT100 与温度变化关系 嵌入式系统 期末大作业 5 1 31 3 实验原理设计图实验原理设计图 图 1 3 1 温度控制系统原理图 图 1 3 2 控制系统原理图 第二章第二章 设计步骤设计步骤 2 12 1功能描述 功能描述 1 某设备需对一个水罐的水温进行控制 要求水温恒定在 60 0 5 假设罐内水温通过 PT100 铂热电阻进行采集 经信号变换后输出电压是 0 2 5V 加热系统可以通过 PWM 输出 方式进行调节 占空比为 0 时加热系统关闭 占空比为 1 时满功率加热 2 用 S3C44B0X 的 A D 转换器和 PWM 输出功能设计相关电路 嵌入式系统 期末大作业 6 3 编写温度采集程序和加热系统的 PWM 输出程序 4 编写一个简单的温度调节程序 使罐内水温稳定在 60 5 给出合理的程序注释 2 2 2 2设计步骤设计步骤 2 212 21 设计思路设计思路 工作时 设定温度由操作人员通过键盘完成 此处设置为 60 并通过 LCD 显示设定温度 值 由 Pt100 热电阻检测控制对象实际温度值 经过 RWB 温度变送器和放大电路 将温度信号 送入 S3C44B0 的 A D 端口 经过固定公式换算得出实际温度并实时显示 程序控制系统将实际温度值与系统设定温度值进行比较 按照自整定 PID 控制算法进行运算 确定下一时间单元输出 PWM 信号占空比 以控制固态继电器的导通时间 从而控制外部加热 器的平均输出功率 实现温度控制 图 2 是系统的整体设计方案 2 222 22 设计思路流程图设计思路流程图 嵌入式系统 期末大作业 7 开始 ARM 初始 化 硬件装置初始化 通信初始化 LED 显示初始化 键盘初始化 扫描键盘 有键按下 处理数值 相应显示数据获取 读取数据与 设计数据进 行比较 控 制其温度与 设计温度相 同 数据显示 Y N 由该流程图可看出 刚上电时 S3C44B0 x 要先进行 ARM 内部的初始化 以使 ARM 进 入相应的状态和模式 然后初始化硬件装置 以使硬件系统可以正常支持温度数据采集 接着通信初始化 以确定温度采集模块 pt100 与 ARM 核心控制模块连接正常 然后初始 化 LCD 显示和键盘 在 LCD 上显示相应的菜单列表 供用户通过键盘选择操作 至此 系统初始化完成 并进入正常主程序循环状态 嵌入式系统 期末大作业 8 在正常主程序循环状态中 首先扫描键盘 以快速的响应用户的按键操作 若没有 键值按下 则 ARM 立即进行数据的采集 处理与显示 以实现实时数据采集与显示等功 能 其主程序包括温度采集程序 ARM 获取温度子程序 温度处理和转换子程序 当 ARM 处理器接收到正确的温度数据后 立即进行相应的温度数据处理与转换 变成可被 LCD 直接显示的正确温度值 第三章第三章 实验结果及分析实验结果及分析 实验分析 此温度控制系统达到稳定需要一定的时间 环境温度对稳定过程有轻微的影响 但对精度几乎没有影响 程序能够较为快速的反应并实现温