三极管水温控制系统

1、 课程设计（论文）题 目：基于arm的水温控制系统学 院：机电工程学院专 业：自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 职称：教授 摘 要根据大二课程设计的项目要求，设计了一个基于arm的温度控制系统，该系统以easyarm2103pack板为核心，利用三极管的温度特性，获得水温温度，并根据通过预先设定的温度来启动继电器加热加热电阻，实现水温加热的功能。该系统采用了高性能的32位arm处理器，通过微机控制温度设定，再根据外部电路获得水温情况来确定是否开启加热功能。该系统通过数码显示板显示出当前的水温状态，并可将这个状态发送到电脑上显示。关键词：温度控制，三极管测温度，arm 键盘板显示，

2、继电器驱动abstrackaccording to the subject designed requirement for sophomore，the design of temperature arm-based control system,which is at the core of easyarm2103pack, could get the current water temperature in the tank by the triode temperature feature ,start-up the relay to control the heating resist

3、or to realized the heat the water. the system uses high-performance 32-bit arm7 microprocessor controller, operator could set the temperature in advance to decide start-up the relay or not based on the current temperature.the datas collected could be showed on the digital screen to tell the operator

4、 the current wetar statements .key words : temperature control ，triode temperature feature arm keyboard-digital display ，relay dirver heating resistor目 录第1章 绪论11.1 本文背景和温度测量与控制系统简介11.2 课题来源及设计要求11.2.1 设备应适应的环境1第2章 温度控制系统总体方案设计22.1 温度控制系统概述22.1.1 温度传感器控制系统22.1.2 热敏电阻测温度：32.1.3 三极管测温度32.2 系统设计方案的分析与确定

5、42.3 系统总体设计思想42.4 系统的硬件功能设计52.5 系统的软件功能设计5第3章 温度控制系统及其硬件实现73.1 三极管温度测量73.2 继电器驱动电路73.3 主控芯片及接口电路73.3.1 arm处理器系列83.3.2 arm7tdmi处理器83.3.3 lpc210393.3.4 lpc2103最小系统103.4 数字显示与键盘扫描电路设计133.5 通信电路的设计173.5.1 uart概述173.5.2 uart特性17第4章 温度控制系统软件实现194.1 系统软件总体结构194.2 ad转换算法设计194.3 定时器的使用20lpc2103 含有两个 32 位定时器：

6、定时器 0 和定时器 1，这两个定时器除了外设基地址20spi数据发送21第5章 试验与结果分析235.1 硬件电路制作与调试235.1.1 电路制作235.1.2 电路焊接与调试235.2 软件程序编程与调试24阶段性总结25参考文献26附 录a 2 lpc2103pack原理图27附 录b 元件清单28附 录c 部分程序清单29第1章 绪论1.1 本文背景和温度测量与控制系统简介温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中 温度控制占有着极为重要的地位 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用

7、。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。1.2 课题来源及设计要求本课题来源于大二课程设计要求，目的在于通过项目驱动来培养我们的自主学习，自主分析的能力。温度控制是自动控制的一个重要体现，从信号的获得，处理再到实现控制都是自动控制的重要组成。设计要求利用三极管测温度电路对当前环境温度进行测量，再反馈到arm中，根据预先设定的温度来控制加热电阻，并

8、可讲当前的温度发送到数码管以及电脑上显示。要求测量与加热的控制准确。1.2.1 设备应适应的环境环境温度：20c- 80c环境湿度：90 %测量电路：0-3.3v加热电路：0-16v第2章 温度控制系统总体方案设计2.1 温度控制系统概述温度控制是日常生活中较为常见的自动控制系统，通过对这个系统的设计与实现，可以感性的认识并了解到自动控制的基本思路以及原理，从外部温度信号的输入，到对该信号的分析与处理，再到温度控制，都很好的体现了自动控制的反馈与处理之间的关系。从学习实验的角度，目前较为常见的温度控制有以温度传感器为核心的控制系统，以三极管测温度为核心的系统，以及以热敏电阻为核心的系统。2.1

9、.1 温度传感器控制系统 图2-1 ds18b20温度传感器电路图利用温度传感器可以直接获得当前的温度状况并通过单片机进行处理，并将其显示到液晶屏上2.1.2 热敏电阻测温度：利用热敏电阻，当周围温度上升，阻值下降的原理，找到温度与其两端电压的关系，再经过运算放大器进行放大之后，找出关系，并转化成数据显示。2.1.3 三极管测温度图2-3是三极管测温度电路由于三极管的pn结的温度特性，其be两端电压可以由于外界温度变化而改变,所以可以利用这个特性转换出电压与温度之间的关系从而获得需要测量的温度值2.2 系统设计方案的分析与确定通过比较上面三组设计方案，再结合自身能力以及条件，决定以方案三的设计

10、思路来进行这次课程设计。方案一与方案二都是较为成熟的设计思路，不利于初学者快速上手，而方案三是从最基础的方法来测定温度，有利于为下学期的模拟电子电路的学习打下基础。由此可以确定方案三为本次设计的基本设计思路控制器执行器受控对象传感器×2.3 系统总体设计思想根据系统设计方案，整个系统设计由三极管测温电路，继电器驱动电路，arm板核心处理，键盘板显示电路，热电阻加热电路几部分共同组成。三级管测温电路是信号量的获得电路，是这个设计的信号获得的基础，设计所需的温度测量都由其来实现。因为三极管的温度特性，可以获得其两端电压与温度的关系，在根据这个关系来得到所测得的温度，再进一步的转换之后就可

11、以得到所需的温度值。arm板是数据处理与利用的核心，从测温电路所得到的周围温度在获得之后，并不可以直接进行利用，而是需要进一步的处理之后才可以。根据arm的a/d转换，可以电压变化这个模拟量转为数字量，并发送到键盘显示板上进行显示，方便对后续工作的的进行。同时，可以根据获得的温度信号来控制加热电路。继电器电路是用于启动加热电阻，由arm版的pwm控制，根据当前温度来决定启动与否键盘显示版是显示通过测温电路所获得的温度在经过转换之后可以显示出来，并可以设定加热温度，用于启动继电器加热的预先设定热电阻加热电路是由一个加热电阻构成并由继电器电路在进行驱动。2.4 系统的硬件功能设计系统主要组成部分及

12、功能如下：（1）cpu核心 : easyarm2103（2）温度测量： 三极管测温电路（3） 温度显示： 键盘显示板（4） 温度控制：继电器电路用于控制,加热电阻用于具体实现加热（5） 计算机： 作为系统的上位机，主要是完成显示由arm版uart转换后显示的测量值。系统总体结构框图见图2-6：计算机三极管测温电路键盘显示板制lpc2103控制器温控系统图2-6 系统总体结构框图2.5 系统的软件功能设计根据系统的设计需要，根据硬件电路可以设计出基于arm的程序进行对信号的采集以及处理。一是通过测量电路而获得的电压变化，再根据这些电压的值进行ad转换成数字量发送到数码管上显示出来。同时由于需要根

13、据当前的温度情况进行温度控制，还需要使用到定时中断以及pwm发送进行控制。采用前后台式的arm的程序设计。可以实现对温度的测量以及初步控制。第3章 温度控制系统及其硬件实现3.1 三极管温度测量根据这次设计是根据三极管pn结的特性来实行的，其有如下几个特征（1）对放大倍数的影响： 三极管的随温度的升高将增大，温度每上升l，值约增大0.51，其结果是在相同的ib情况下，集电极电流ic随温度上升而增大。 （2）对反向饱和电流iceo的影响： iceo是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，iceo随温度上升会急剧增加。温度上升10，iceo将增加一倍。由于硅管的iceo很小，所以，温度

14、对硅管iceo的影响不大。 （3）对发射结电压ube的影响： 和二极管的正向特性一样，温度上升1，ube将下降22.5mv。利用这个特性可以实现对外部温度的测量3.2 继电器驱动电路继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本次设计所使用的是jzc-23f型继电器3.3 主控芯片及接口电路本系统应要求系统的实时性较强，所以选择的muc必须要有足够高的运行频率，否则会造成上位机发送的命令，下位机接收不到的情况发生，汽车变速

15、箱试验台失控的现象发生。基于以上原因，因系统采用的muc为lpc2103，lpc2103是以arm7为内核的微控制器，具有运算频率高，功能强，i/o口丰富等优点，下面简单介绍一下基于arm7为内核的lpc2103mcu。首先介绍一下arm，arm是advanced risc machines的缩写。是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的risc处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类多媒体、dsp和移动式应用等。arm将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ar

16、m相关技术及服务。利用这种合伙关系，arm很快成为许多全球性risc标准的缔造者9。arm不仅是一个公司的名字，也是一种微处理器内核的名字。arm微处理器资源丰富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域。arm的嵌入式系统其优良的性能，良好的移植性，广泛应用与各个行业。可以说，用单片机和dsp实现的系统，arm都可以实现。arm集成了丰富的片内外设资源，利用自身资源不必增加外围器件就可实现控制要求的功能。同时使得机器人控制板的结构尺寸可以做得更小。另外，利用arm处理器设计的车载嵌入式系统还具有非常好的移植性，能够使得技术真正用于生活，这是其他型处理器所

17、不具备的特点。3.3.1 arm处理器系列arm处理器目前包括下面几个系列：(1)arm7系列(2)arm9系列(3)arm9e系列(4)armi oe系列(5)securcore系列(6)intel的xscale系列(7)intel的strongarm系列其中，arm7, arm9, arm9e和arm10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。3.3.2 arm7tdmi处理器arm7系列处理器包括以下几种类型的核：arm7tdmi、arm7tdmi-s、arm720t、arm7ej。其中，arm7tdmi是目前使用最广泛的32位嵌入式risc处理器

18、。tdmi的基本含义是：t：支持16位压缩指令集thumb；d：支持片上debugm：内嵌硬件乘法器(multiplier)；i：嵌入式ice，支持片上断点和调试点。arm7系列微处理器为低功耗的32位 risc处理器，arm7处理器具有如下的特点：(1)具有嵌入式ice-rt逻辑，调试开发方便；(2)极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如移动机器人产品；(3)能够提供0.9mips/mfiz的三级流水线结构；(4)代码密度高，并兼容16位的thumb指令；(5)对操作系统的支持广泛；(6)指令系统与arm9, arm9e和arm10e系列兼容，便于产品升级；(7)主频最高可达130mips

19、高速的运算处理能力能胜任绝大多数的应用场合。3.3.3 lpc2103本系统和mcu选用的是lpc2103,它具有如下特点： (1)16/32位arm7tdmi-s核，超小lqfp64封装； (2)8/16/32kb 的片内静态 ram 和 32/64/512kb 的片内 flash 程序存储器，128 位宽度接口/加速器可实现高达60 mhz工作频率； (3)通过片内boot 装载程序实现在系统编程/在应用编程 （isp/iap），单扇区或整片擦除时间为400ms，256字节行编程时间为1ms； (4)embeddedice®rt 和嵌入式跟踪接口通过片内 realmonitort

20、m 软件对代码进行实时调试和高速跟踪； (5)1 个（lpc2131/2132）或 2 个（lpc2103）8 路 10 位的 a/d 转换器，共提供 16 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us； (6)1个10位的d/a转换器，可产生不同的模拟输出。（仅适用于lpc2132/2138）； (7)2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、pwm单元（6路输出）和看门狗； (8)实时时钟具有独立的电源和时钟，可在节电模式中极大地降低功耗； (9)多个串行接口，包括2个16c550工业标准uart、2个高速i2c接口（400 kbit/s）、spitm 和具有缓冲作用和数据长

21、度可变功能的ssp； (10)向量中断控制器可配置优先级和向量地址；(11)小型的lqfp64封装上包含多达47个通用i/o口（可承受5v电压）； (12)多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚； (13)通过片内pll（100us的设置时间）可实现最大为60mhz 的 cpu操作频率；(14)片内晶振频率范围：130 mhz； (15)低功耗模式：空闲和掉电； (16)可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗； (17)通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； (18)单电源，具有上电复位（por）和掉电检测（bod）电路：cpu操作电压范围：3.0v3.6 v (3.3 v

22、7; 10)，i/o口可承受5v的电压。3.3.4 lpc2103最小系统嵌入式系统的最小系统主要由以下几个方面组成：(1) 电源(2) 复位电路(3) 系统时钟，一般由晶振提供此时钟(4) 底板下面以lpc2103为微处理器为中心详细介绍最小系统的组成与设计思路电源电路任何电子系统都少不了电源的支持。电源可以看成是电子系统的心脏。电源只有给系统的电路提供持续的、稳定的能量，这样电子系统才能正常的工作。在一个电子系统中电源的好坏直接影响到整个系统的稳定性，并在一定程度上影响整个系统的功耗。常用的集成稳压芯片有78xx系列和79xx系列。它们是利用串联负反馈来稳定输出电压的，性能较好。如图 3所

23、示为本系统的一级电源电路。图 33 系统电源1本系统主要靠市电经过变压器降压，桥式整流以及78xx系列和79xx系列芯片稳压供电。 lpc2103芯片供电电源为3.3v，内核供电电源为1.8v，因此系统设计为3.3v应用系统。电源经78m05稳压至5v， 再经过spxi l 17-3.3将电源稳压至3.3v。当正确连接电源后，led作为电源指示灯点亮。其特点为输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低。电路原理图如图 3所示。图 34 系统电源电路由于lpc2103对供电系统和ad参考电压等要求比较高，所以得加强滤波电路的设计。图 35 电源和参考电压滤波电路复位电路由于arm芯片的高速、低功耗和低

24、工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源监控和电源监控可靠性等诸多也提供了更高的要求，因此复位电路使用带i2c存储器的电源监控芯片cat1025ji-30，提高了系统的可靠性。其电路原理图如图 3所示。图 36 系统复位电路系统时钟电路考虑到串口通信时的波特率能够正确的设定，本系统选用11.0592mhz外部晶振是为了使用pll和isp下载功能。原理图如图 31所示。图 31 系统时钟电路lpc2103的rtc需要独立的时钟源，时钟频率为32.768khz，电路如图 3所示。图 38 rtc时钟电路jtag调试下载程序接口电路arm公司arm7内核采用了jatg联盟提供的标

25、准20脚jtag仿真调试接口。rtck引脚接一个4.7k下拉电阻，使系统复位后lpc2103内部jtag接口使能，直接进入jtag调试。原理图如图 3所示。图 39 jtag接口电路标准20脚jtag仿真调试接口的详细定义如表 31所示。表 31 20-pin jtag header管脚定义管脚定义管脚定义1vref（目标板参考电压，接电源）11rtck2vdd(+3.3v)12vss(ground)3ntrst13tdo管脚定义管脚定义4vss(ground)14vss(ground)5tdi15nreset(目标板复位信号)6vss(ground)16vss(ground)7tms17nc

26、（未接）8vss(ground)18vss(ground)9tck19nc（未接）10vss(ground)20vss(ground)3.4 数字显示与键盘扫描电路设计在本论文中我选择74hc164作为显示电路的位码和段码传输芯片，它是种串行转并行的ic，它有14个引脚，结构如图 3-13 74hc164引脚图中所示。图 3-13 74hc164引脚图74hc164的状态转换表如表 3 1 74hc164状态转换表所示。a、b为串行数据输入引脚，这两个引脚完全一样，通常将这两个引脚连接在一起，再接到串行数据源；也可将其中一脚连接到vcc，另一只引脚连接串行数据源；在此使用前者。clr为清除引脚

27、，当此引脚为低电平时，qaqh并行输出引脚全部变为低电平。表 3 1 74hc164状态转换表输入输出clkabllllhlhhhhhllhllclk为时钟脉冲引脚，74hc164为上升沿触发，当clk的电平由低变高时输出引脚的状态发生变化。如图 3-14 74hc164时序图所示。图 3-14 74hc164时序图led数码管是控制系统中最常用的显示器件之一，在此使用了2个4段共阴极数码管（fj3461ah）用于显示智能小车的当前情况。8个按键用于控制启动和调节智能小车的运行参数。电阻（470欧）用于限流，保证数码管的正常工作。工作电源为3.3v，通过lpc2103供电。工作原理如下：设计中

28、使用lpc2103的spi接口作为主机与p1相连，通过此端口将需要显示的数据的段码和位码信息在clk脉冲的控制下分别移入到两片74hc164段码和位码中完成数据显示。miso端口是键盘检测口。在该部分的软件设计中先从mosi端口接收数据输出显示，显示后紧接着查询miso端口是否为低电平（只有当按键按下，同时对应位码时才为低），如果为低电平则记录送出的位码信息；之后进行第二次循环，显示数据并查询miso端口。当miso端口为高电平或低电平时记录的位码信息与上次不相同，则放弃键处理；当两次读miso端口与低电平记录下的位码信息相同时，进行相应的按键处理操作。图3-15键盘和数码管显示电路3.5 通

29、信电路的设计3.5.1 uart概述 lpc2103 微控制器包含有两个符合 16c550 工业标准的异步串行口（uart）uart0 和uart1。其中，uart0 仅提供 txd 和 rxd 信号引脚，uart1 增加了一个调制解调器（modem）接口。uart1 仅仅比 uart0 多了一个 modem接口，其余方面两者都是完全相同的。 3.5.2 uart特性 （1） 16 字节收发fifo； （2） 寄存器位置符合 16c550工业标准； （3） 接收器 fifo 触发点可为 1、4、8和 14字节； （4） 内置带波特率功能的波特率发生器； （5） 包含使能实现软件和硬件流控制的机

30、制； （6） uart1 含有标准调制解调器接口信号，且硬件完全支持流控制（auto-cts/rts）。 小知识：16c550 是一种工业标准的 uart，此类 uart 芯片内部集成了可编程的波特率发生器、发送/接收 fifo、处理器中断系统和各种状态错误检测电路等等，并具有完全的modem 控制能力。工作模式为全双工模式，支持 58 位数据长度，1/2 位停止位，可选奇偶校验位。 注意： uart0 没有完整的modem接口信号，仅提供txd、 rxd信号引脚，因此，严格来说， uart0不符合16c550 工业标准。本系统通信通过下图所示的光电隔离的ttl电路和rs-232电路的串行转换

31、器实现，lpc2103和pc机用光电隔离器隔离，避免了pc机对lpc2103的干扰，两边电源分别由lpc2103+3.3v电源和pc机+12v电源提供。第4章 温度控制系统软件实现4.1 系统软件总体结构获取当前值ad采样键 值处 理键 盘扫 描数 码管 显示读 取时 间程序结构图4-1 系统软件总体框图4.2 ad转换算法设计根据上一小节的硬件实现分析，软件实现最关键的地方就是：在获得测温电路的三极管温度变化后，如何显示出来，就需要使用到对模拟信号的对数字信号的转换。需要利用pack板上的ad转换功能a/d 转换器的基本时钟由vpb 时钟提供，可编程分频器可将时钟调整至4.5mhz （逐步

32、逼近转换的最大时钟），10 位精度要求的转换需要 11 个a/d 转换时钟。特性 10 位逐次逼近式模数转换器； 测量范围：03.3v； 10 位转换时间2.44us； 一路或多路输入的burst 转换模式； 转换触发信号可选择：输入引脚的跳变或定时器的匹配； 具有掉电模式。adc 转换时钟分频值计算： clkdiv= (fpclk/ fadclk)- 1 例如： 10 位adc转换的初始化程序，转换时钟设置为 1mhz。 使用3.3v 作为基准参考电压源，则lpc2103 的a/d 转换器的最小分辨率lsb lsb = (vref/ 210)= 3300/ 1024=3.22mv; 即在一次

33、转换中，a/d 转换器能够区分的最小电压为3.22mv。 4.3 定时器的使用lpc2103 含有两个 32 位定时器：定时器 0 和定时器 1，这两个定时器除了外设基地址 不同外，其它都相同。定时器/计数器对外设时钟（pclk ）或外部提供的时钟周期进行计数， 可选择产生中断或根据4 个匹配寄存器的设定，在到达指定的定时值时执行其它动作。它还 包括4 个捕获输入，用于在输入信号发生跳变时捕获定时器值，并可选择产生中断。定时器模块/* 函数名称: timer1_init(void) * 功能描述:pwm发出* 入口参数:无* 出口参数:无*/void timer1_init(void) t1t

34、c = 0; t1tcr = 0x02; /* 定时器1复位 */ t1pr = 0; /* 不设时钟分频 */ pwm1con= 0x04; /* 使能pwm输出 */ t1mcr = 0x02; /* 设置t1mr0匹配后复位t1tc */ t1mr0 = fpclk / j; /* 设置pwm输出的周期 */ t1mr2 = (fpclk /j)/100)*z; /* 设置pwm1.2输出占空比为 */ /t1tcr = 0x01; /* 启动定时器1 */ 本程序使用定时器1，通过匹配值的设定来控制中断时间。匹配周期：t1mr0 = fpclk / j ；spi数据发送特性：单个完整和

35、独立的 spi 控制器； 遵循串行外设接口(spi)规范； 同步、串行、全双工通信； 组合的 spi 主机和从机； 最大数据位速率为输入时钟速率的 1/8； 每次传输 816 位数据。 spi （serial peripheral interface串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口， 允许mcu 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。外围设备包flash、ram、a/d 转换器、网络控制器、mcu 等。spi 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接 接口，一般使用4 条线：串行时钟线 sck、主机输入/从机输出数据线miso、主机输出/从 机输入数据线mosi 和低电

36、平有效的从机选择线 ssel。 spi 时钟计数值设定 0 操作示例 spi_spccr = fpclk / fspi; /* 设置 spi 时钟分频 spi显示/* 函数名称：mspi_init()* 函数功能：初始化spi接口，设置为主机。* 入口参数：无* 出口参数：无*/void mspiinit(void)pinsel0 = (pinsel0 & 0xcfff00ff) | 0x00001500; /* 设置spi引脚连接 */spi_spccr = 0x08;/* 设置spi时钟分频 */spi_spcr = 0 << 3|/* cpha = 0第一个时钟采样

37、*/ 1 << 4 |/* cpol = 1，sck低有效 */ 1 << 5 |/* mstr = 1，设置为主模式 */ 0 << 6 |/* lsbf = 0，spi传输msb在先 */ 1 << 7 ;/* spie = 0，spi中断禁止 */* 函数名称：mspi_senddata()* 函数功能：向spi总线发送数据。* 入口参数：data 待发送的数据* 出口参数：返回值为读取的数据*/uint8 mspisenddata(uint8 data)io0clr=hc595;spi_spdr = data;while (spi_spsr & 0x80) = 0);/* 等待数据发送完毕 */io0set=hc595;return(spi_spdr);第5章 试验与结果分析5.1 硬件电路制作与调试5.1.1 电路制作1、 原理图设计原理图设计可按下面过程来完成(1)设计图纸大小(2)设置protel dxp/schematic设计环境(3)旋转元器件(4)原理图布线(5)调整线路(6)报表输出(7)文件保存及