基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究_图文

1、江苏大学硕士学位论文基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究姓名：韦庆志申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：李正明20100612江苏大学硕士学位论文摘要温度的测量和控制在工业生产过程中有着广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、冶金等工业领域。温度控制对产品的质量和工业生产过程的顺利进行有着很大的影响。随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善，温度控制系统也正朝着更加智能化的方向发展。本文在研究了目前国内外温度控制现状的基础上，针对大多数工业生产中温度控制系统对复杂控制算法处理能力差，人机交互不尽完善，控制界面不够友好美观，提出了一种基于的模糊温度控制系统。在

2、硬件上，系统采用微处理器作为主控制芯片，对温度检测单元和液晶显示模块进行了设计，对存储单元进行了扩展。另外系统还设计了串口电路、电路和以太网接口电路，方便了数据下载、系统调试和与机或设备进行通讯；在软件上，移植了嵌入式实时操作系统，对温度检测模块、数据转换模块、液晶显示模块及控制算法等应用程序进行了开发设计，并通过编程为本系统设计并实现了友好的图形用户界面。本文设计的温度控制系统是针对一般工业温度控制特点提出的，具有扩展性强、可靠性高、响应速度快、体积小等特点，而且还具有很好的人机交互能力，能够有效管理复杂的系统资源。本文采用模糊控制算法对温度进行控制，为了检验系统控制性能，本文以工业锅炉蒸汽

3、温度为被控对象，建立了工业锅炉蒸汽温度控制系统的仿真模型来检测系统性能，分别对常规控制和模糊控制进行了仿真分析。结果表明模糊控制有效的提高了系统对非线性、时变性和不确定性的处理能力，控制效果更好。关键词：温度控制系统、模糊、江苏大学硕士学位论文，州，：，：，学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，本学位论文属于在年解密后适用本授权书。不保

4、密。学位论文作者签名：韦灸毛、签字日期：纠年月，日翮繇衣眨，签字日期疹叼拜多月，乙日独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：书灸基、日期：年月江苏大学硕士学位论文弟一早三百了匕第一章绪论课题研究背景和意义温度是工业生产过程中最常见的控制参数之一，对温度的测量和控制具有很大的实际应用价值和应用前景【】【。特别是在很多工业场合，温度控制

5、的好坏直接影响产品的质量、设备运行的安全性和经济性，例如在电厂锅炉蒸汽温度的控制中，整个过程都要求对温度进行严格的控制和测量。通常过热管下常运行温度接近过热管材料所允许的最高温度】【】，如果过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，造成汽轮机内部器件过度热膨胀，通常过热器在超温下长期运行，过热器寿命会缩短一半以上，严重影响运行安全。如果过热蒸汽温度过低，会使设备效率下降，汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，造成汽轮机叶片磨损，通常汽温每降低。，会使循环热效率降低约。因此对温度进行实时准确的测量和控制对工业生产过程的顺利进行起着至关重要的作用，由于温度对工业生产有着非常重要的作用，所以温度控制系统的发展也得到了

6、进一步的推进。随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善，特别是针对特定工业控制对象的工业控制器的出现，使得测控系统的设计进入了一个崭新的领域。纵观温度控制系统的发展历史【引，大致可以分为五个阶段：第一阶段是世纪年代以前，工业生产比较落后，大部分工业生产过程都处于手工操作状态，特别是在一些工况变化幅度较大的环境下，只能采用人工手动调节。第二阶段是年代前后在有些企业中实现了温度测量仪表化和局部控制自动化，但多数采用的是基地式仪表和气动仪表。第三个阶段是年代以来，随着工业生产的不断发展，对温度控制系统也提出了新的要求。电子技术的迅猛发展，为测控系统的发展创造了条件，其先后经历了数据

7、采集系统、直接数字控制系统以及监督控制系统几个表现形式旧。气动和电动单元组合仪表，以及以计算机为核心的测控系统开始应用于生产领域。这种测控模式系统的信号处理和运算由测控计算机完成，而测量仪器和执行器由特殊功能原件构成，不对信号进行运算处理。第四个阶段是世纪年代以来，随着大规模集成电路和各种微处理器的江苏大学硕士学位论文相继问世，以微处理器为核心的具备程序检测控制功能的温度控制装置得到了广泛应用。第五个阶段是世纪年代，出现了集散控制系统（）【，又称分布式控制系统。该阶段的特点是：以微处理器为核心，实现控制分散、信息集中的功能，利用高速数据通道连接各个模块或设备，并通过通道接口与局域网络相连，使设

8、备间可以进行信息交换并且实现了数据库和系统资源的共享，同时也提高了系统的可靠性，具有丰富友好的人机接口。总之，温度控制系统对工业生产乃至国民经济都具有非常重要的现实意义和价值。特别是近几年，随着我国经济的飞速发展，工业生产过程也发生了日新月异的变化，这就使得对温度控制装置，特别是那些具有通用性、宽量程、高精度、实时性的先进的温度控制系统的需求不断增加。目前国内市场上的温度控制装置有很多，并且技术水平也在不断发展，但和国外同类产品相比，在功能、智能化程度和可靠性方面还有很大差距，这就使得生产自主研发的高技术低价位的产品具有了更大的现实意义。温度控制系统研究现状及发展趋势目前市场上成型的温度控制产

9、品都普遍采用传统和单片机来实现【，能够满足用户大多数场合的需要。随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善，工业温度控制要求也越来越高。现在国内外很多温度控制系统都采用作为处理器，为嵌入式的应用提供了一个有效的解决方案，以其成熟的结果标准，有效的位结构，优秀的代码密度，可能的低成本，执行高度稳定等特点，被市场所认可【】。采用嵌入式硬件和软件的温度控制系统具有很高的测量精度和控制精度，而且实时性好，能进行较复杂的算法运算，体积也大大减小，有着非常人性化的人机界面。由此可见，随着信息产业的发展，新技术革新以及产业的专业化现代化的发展，利用高性能的嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统对温

10、度进行控制已成为未来发展的趋势。在温度控制方式上，目前大多数采用的是控制方式。控制是迄今为止最通用的控制方式【¨，调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器，至今全世界过程控制中仍然有左右使用纯调节器。尽管许多先进控制方法不断推出，但控制器以其结构简单，容易被理解和实现，应江苏大学硕士学位论文用中不需要精确的系统模型的预先知识，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于工业过程控制中。此后又出现了诸如最优控制、预估计控制等高级控制策略【，但人们对控制器的认识和改进远没有完成，到目前为止，控制的机理、使用范围、鲁棒性等问题都还没有彻底完全的分析研究。其实控制器自身存在着

11、固有的缺吲】：在实际的工业生产过程中，被控对象往往具有非线性、时变性、不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中参数整定方式十分烦杂，常规控制器参数往往整定不良，性能不好，对运行工况的适应能力差，特别是对于温度这种受周围环境影响较大的控制对象，不能很好的根据需要调节参数。针对这些问题，人们一直在寻求控制参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理器技术的发展和智能控制器的应用【。，参数不能根据实际需要在线调节的问题已经得到解决，并且开始被应用于现实控制中。嵌入式系统嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义，在中国嵌入式系统领域，比较认

12、同的嵌入式系统概念是【】：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【。这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应

13、用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征：（）系统内核小。（）专用性强。（）系统精简。（）高实时性的系统软件（）是嵌入式软件的基本要求。（）嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。（）嵌入式系统开发需要开发工具和环境。嵌入式系统的分类及组成嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成【】。从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：（）嵌入式微处理器（，）（）嵌入式微控制器（，）（）嵌入式处理器（）嵌入式片上系统（）从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入

14、式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务【】。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍【】。（）硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（、等）、通用设备接口和接口（，、等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在中。（）中间层硬

15、件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（）或板级支持包（，），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置功能。（）系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（文件系统、图形用户接口（，）、，）、网络系统及通用组件模块组成。是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式操作系统（，）是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所

16、要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。本文的主要工作本文设计了一种基于的模糊温度控制系统，主要完成了以下工作：（）对控制系统进行了硬件设计，采用微处理器作为主控制芯片，并对其外围电路进行了构建。本文在对微处理器进行了介绍之后，对温度检测单元进行了设计，对存储单元进行了扩展，采用专用显示控制器控制显示。另外系统还设计了串口电路、电路和以太网接口电路，方便了数据下载，系统调试和与机或设备进行通讯，实现数据的交换。（）软件方面，移植了引导程序（）和操作系统，实现了操作系统的自动引导及运行，为应用程序的运行提供了一个软件环境。（

17、）简要介绍了操作系统上硬件设备驱动程序的相关概念及开发过程，之后分别对温度检测模块、数据转换模块、控制算法模块及一串口模块等应用程序的设计进行了说明，并利用为系统设计了友好的图形用户界面。（）简单介绍了模糊控制的工作原理，详细讲述了模糊控制器的具体设计步骤，最后以工业锅炉蒸汽温度为被控对象，设计仿真模型对模糊控制和传统控制进行仿真对比及分析。第二章模糊控制模糊控制基本原理年，美国加利福尼亚大学扎德（，）教授发表了题为模糊集合论著名论文【】【，从此开创了模糊数学和模糊系统理论的基础。年，英国伦敦大学教授，首先利用模糊控制语句组成了模糊控制器，并应用于锅炉和汽轮机的控制，在实验室获得了成功。它不仅

18、把模糊系统理论首先应用于控制，并且充分展示了模糊控制技术的应用前景。近几年，模糊控制技术得到了迅猛发展，已经成功的运用于许多领域，在一些具有非线性、强耦合、时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中，模糊控制发挥了独特的作用。模糊控制是基于模糊推理【】，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，它是模糊理论和控制技术相结合的产物，同时也是构成智能控制的重要组成部分。模糊控制系统的构成与一般控制系统的区别主要在于控制器不同，模糊控制器主要是由模糊化、模糊推理和去模糊三个功能模块和知识库构成。它的基本原理是：把系统的输入进行模糊化处理转化为模糊量，然后按照给出的规则对模糊量进行推理

19、，最后把推理的结果进行去模糊化处理转化为精确量。模糊控制的突出特点主要有【】：（）控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供操作人员的经验及操作数据；（）控制系统的鲁棒性强，适合于解决常规控制难以解决的非线性、强耦合、时变和时滞系统；（）以语言变量代替了常规的数学变量，容易构成专家的“知识”；（）控制推理模仿人的思维过程，采用“不精确推理，融入了人类的经验，因此可以处理复杂甚至“病态”系统。虽然模糊控制器和常规控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点，但是它也存在一些例如精度不高，自适应能力有限和易产生振荡现象等缺陷。模糊自适

20、应概述在工业生产过程中【，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特征参数或结构会发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围，其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此在工业生产过程中，大量采用的仍然是算法，参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整参数，这样就出现了智能控制器。这种控制器把古典的控制与先进的专家系统结合，实现系统的最佳控制【】。这种控制必须精确地确

21、定对象模型，首先将操作人员（专家）长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指标、初始参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输入条件），运用模糊推理，即可自动实现对参数的最佳调整，这就是模糊自适应控制。模糊自适应控制器目前有多种结构形式，但其工作原理基本一致。模糊自适应控制器的设计模糊自适应控制器

22、模糊参数自适应控制器是一种专家自适应控制器【】，它是在常规调节器的基础上采用模糊推理的思想，根据不同偏差（尼）和偏差变化率（），对的比例、积分和微分参数七、屯和岛进行在线自整定的模糊控制器，在参数后、和与偏差（七）和偏差变化率（）问建立起在线自整定的函数关系，而且这种关系是根据人的经验和智能建立起来的，使系统在不同运行状态下江苏大学硕士学位论文能对常规控制器参数不断地修改和调整。这如同人们在控制过程中不断了解和掌握控制规律一样，因此，它属于人工智能的范畴，即对参数实现了智能调节。也正因为如此，它在改善被控过程的动态和稳态性能、提高抗干扰能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规控制器。自适应模

23、糊控制器以误差和误差变化作为输入，可以满足不同时刻的和对参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对参数进行修改，便构成了自适应模糊控制器，其结构如图所示。图自适席模糊控制器结构由控制系统结构框图可见，这是在一般控制器的基础上加上了一个模糊控制环节，模糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节参数而设置的。因此，模糊参数自适应控制系统的关键在于模糊控制规则对参数的调节机理及过程。由模糊参数自适应控制系统的结构图可以看出，其中的参数校正部分实质为一个模糊控制器，该模糊控制器采用如下个模糊变量：（）（），控制系统的输入偏差；（）（），控制器的输入偏差变化率；（），控制器输出的比例系数；（），控制器输出的

24、积分系数；（），控制器输出的微分系数。其中，（七）和（）为输入模糊语言变量，而后，、和为输出模糊语言变量。参数自整定原则参数模糊自整定是找出三个参数与系统误差和误差变化率之间江苏大学硕士学位论又的模糊关系，在运行中通过不断检测和，根据模糊控制原理来对个参数进行在线修改，以满足不同和对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，口、砖和九的作用如下：（）比例系数七的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。后越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产

25、生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。（）积分作用系数，的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差消除越快但七过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。（）微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但幻过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。采用计算机实现的控制算法，其离散控制规律为：（七）二（七），（）“（七）一（七一）】

26、（）式中甜例为第个采样时刻控制器输出量；例为第个采样时刻控制器输入量（偏差信号）；。、和吒分别为比例、积分、微分系数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，根据不同的和人们总结出了一套尼。、和的整定原则【】：（）当较大时，为使系统有较好的跟踪性能，应取较大的后。和较小的，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取；。（）当中等时，为使系统响应具有较小超调，应取较小的。的取值要江苏大学硕士学位论文适当，的取值对系统响应的影响较大，应取得小一些。（）当较小时，为使系统能有较好的稳态性能，后，和均应取的大些，同时为避免在平衡点附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当较大

27、时幻可取的小些；较小时可取的大一些。隶属度函数的建立由模糊自适应控制器结构图可以看出，模糊控制器的输入输出都要求精确量，而模糊控制算法本身需要模糊量，这样就需要在模糊控制算法实现过程中，能够使精确量和模糊量之间进行相互转换。将精确量（数字量）转化为模糊量的过程称为模糊化。精确量的模糊化就是把物理量的精确值转换为语言变量值，在本系统的设计中，需要进行模糊化的变量有偏差、偏差变化率、控制器的比例系数、积分系数和微分系数。模糊化设计包含两方面的重要内容，一个是模糊划分谁家，它主要是解决在语言变量论域中取模糊量的个数问题；另一个是模糊量隶属函数的设计，它主要是解决模糊量的隶属函数形状。隶属函数（），用

28、于表征模糊集合的数学工具。对于普通集合，它可以理解为某个论域上的一个子集。为了描述论域中任一元素是否属于集合，通常可以用或标志。用表示不属于，而用表示属于，从而得到了上的一个二值函数（），它表征了的元素对普通集合的从属关系，通常称为的特征函数，为了描述元素对上的一个模糊集合的隶属关系，由于这种关系的不分明性，它将用从区间，中所取的数值代替，这两个值来描述，记为（），数值（）表示元素隶属于模糊集的程度，论域上的函数“即为模糊集的隶属函数，而（）即为对应的隶属度。隶属度函数是模糊控制的应用基础，正确构造隶属度函数是能否用好模糊控制的关键之一。隶属度函数的确定过程，本质上说应该是客观的，但每个人对于

29、同一个模糊概念的认识理解又有差异，因此，隶属度函数的确定又带有主观性。隶属度函数的确立目前还没有一套成熟有效的方法，大多数系统的确立方法还停留在经验和实验的基础上。对于同一个模糊概念，不同的人会建立不完全相同的隶属度函数，尽管形式不完全相同，只要能反映同一模糊概念，在解决和处理实际模糊信息的问题中仍然殊途同归。江苏大学硕士学位论文本文选定、的论域为，），。、毛和力的论域也为，），语言变量均选取个语言值：，分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。，的隶属度函数选用高斯形曲线，如图所示。参数口、和的隶属度函数选用三角形曲线，如图所示。这些隶属度函数曲线可以等距，也可以非等距。当偏差大于某值

30、时，曲线密度可设置的小一些，以提高系统的响应速度；当偏差小于某值时，曲线密度可设置的大一些，以提高系统的响应精度和减小超调。一般合适的隶属度函数应该保证相邻模糊量的交点在之间。图、的隶属度函数图易，岛和幻的隶属度函数控制规则的设计模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、实践以及长期经验累积逐渐形成的，它是存储在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制规则一般是通过对被控对象（过程）的一些规则，操作者根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的控制规则的过程。在模糊参数自适应的控制系统中，模糊控江苏大学硕士学位论文制规则主

31、要是用来修正的参数的，它是控制领域内的技术人员根据过程的阶跃响应情况的经验总结，在进行一定处理之后得到的。从一般过程对阶跃输入的响应情况，可以得到控制器在实际工作中有，时，应该能够推出合理的如，岛，切的模糊控制规则。总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，再根据岛，岛，幻三个参数各自的作用和它们之间的相互影响，本文建立了乞，岛，幻模糊控制规则表，如表，表，表所示。模糊控制器控制规则形式为：，如【】；】；其中最后括号中的“，表示该条规则的权值。模糊决策采用：与（）方法为，或（）为，推里（）为，合成（）为，解模糊（）为。表。的模糊规则表划表的模糊规则表刘江苏大学硕士学位论文表的模糊规则表划知，岛

32、，幻的模糊控制规则表建立好后，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算，（）（）（，在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对参数的在线自校下，其工作流程图如图所示。江苏大学硕士学位论文取当前采样值上士鳓（）一（）】艇（）上，（）模糊化山模糊整定如，幻上计算当前毛，岛，幻上控制器输出图。参数在线自校正工作流程图江苏大学硕士学位论文第三章温度控制系统硬件设计本文采用公司的位嵌入式微处理器作为主控制芯片，系统通过温度传感器把采集到的实时温度信号经过温度检测电路传给，经控制算法处理得到控制信号，最后

33、再经过转换得到输出信号输出给控制执行机构达到自动控温的效果。系统硬件设计框图如图所示。圈网删斟斟系统硬件设计框图通讯模块篓一处理器概述简介即的缩写【】，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。公司是专门从事基于技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从公司购买其设计的微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用公司的授权，因此使得技术获得了更多的第三方工具、制造、软件

34、的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。处理器的三大特点是：耗电少功能强、位位双指令集和众多合作伙伴。是一个不断发展的微处理器家族。目前，在这个家族中，主要有个江苏大学硕士学位论文产品系列：、和。其中系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域，其主要特点如下【：（）支持指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。（）级整数流水线，指令执行效率更高。（）支持位指令集和位指令集。（）支持位的高速总线接口。（）支持浮点处理协处理器。（）全性能的，支持、等多种主流嵌入式操作系统。（）支持实时操作系统。（）支持数据

35、和指令，具有更高的指令和数据处理能力。（）主频最高可达。结构及特点是完全围绕处理器构建的系统，功能非常强大【，它包括一个高速片上工作区及一个低等待时间的外部总线接口（），以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接，还集成了许多标准接口，提供一系列符合工业标准的外设，在工作频率下运行速度为。这使得开发、调试所有的应用，特别是受实时性限制的应用成为可能，并且便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。另外是一款工业级的芯片，适合在高温恶劣的工业环境下运行，非常适合本系统的使用。集成了许多标准接口，包括全速主机和设备端口及与多数外设和在网络层广泛使用的以太网媒体访问控制器（）

36、。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、卡、红外线及智能卡中使用。为完善性能，集成了包括、专门调试通道（）及嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试所有的应用特别是受实时性限制的应用成为可能。江苏大学硕士学位论文温度检测电路设计温度检测电路是温度控制系统的重要组成部分，它承担着被控对象温度检测并将温度数据传输到处理器的任务。型热电偶简介热电偶是工程应用中最广泛的温度传感器，具有结构简单、使用方便、准确度高、稳定性好、温度测量范围宽等特点，在温度测量中有很重要的地位。热电偶的类型很多，一般在工业生产中测量高温时通常使用镍铬一镍硅（型）、铂铑一铂（型）、镍铬一铜

37、镍（型）三种热电偶，本文设计选用镍铬镍硅型热电偶。型热电偶是一种耐高温电偶传感器，它具有测温精度高、运行稳定、结构简单、制造容易、测温范围宽等特点，该热电偶的正极为含铬的镍铬合金，负极为含硅的镍硅合金。可测量，长期使用温度为，其热电势与温度的关系近似线性，并且价格便宜，是目前普遍使用的一种热电偶。但是将热电偶应用到嵌入式系统时，却存在着以下几方面的问题：（）信号微弱。热电偶测温时产生的信号很微弱，需要对其进行放大处理。（）非线性。热电偶的输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。（）冷端补偿。热电偶输出的热电势为冷端保持为时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的

38、温度是随着环境的温度而变化的，所以需要进行冷端补偿。（）数字化输入。与嵌入式系统接口必然要采用数字化输接口，而作为模拟信号测温元件的热电偶是一种模拟小信号的测温元件，显然无法直接满足这个要求。因此若将热电偶应用到嵌入式系统时必须进行复杂的信号放大、转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。本文采用了美国公司生产的行热电偶温度数字转换芯片，使温度检测部分的结构更加简单，可靠性更高，转换精度更好。江苏大学硕士学位论文介绍及性能特点是公司生产

39、的型热电偶专用芯片，它是一个集成了模拟信号放大器、冷端补偿信号产生电路、非线性校正电路、断线检测电路、转换器及串行数字控制电路的热电偶信号放大器与数字转换器。提高了系统的可靠性，减少了设计的复杂性。具有如下特点：（）简单的串行：温度值输出；（）的测温范围；（）位。的分辨率；（）片内冷端补偿；（）高阻抗差动输入；（）热电偶断线检测；（）单电源电压；（）低功耗特性；（）工作温度范围为，；（）的信号。采用引脚贴片封装，引脚功能如表所列表引脚功能引脚名称功能接地端型热电偶负极型热电偶正极正电源端串行时钟输入片选信号串行数据输出悬空不用工作原理是一个复杂的单片热电偶数字转换器，它从热电偶得到热电势之后将

40、其通过低通滤波、放大送至，然后再在控制电路的控制下与冷端补偿电路送来的电压相加，并除以一个电压温度系数，最后得到输出温度数据。江苏大学硕士学位论文内部具有信号调节放大器、位的模拟数字化热电偶转换器、冷端补偿传感器和校正、数字控制器、个兼容接口和个相关的逻辑控制。其内部结构图如图所示。士烈乩：¨，冷端补偿：极管卜一，一数字控制器一：，厂：豁享萨妒叫一士一西一图内部结构图（）温度变化内部具有将热电偶信号转换为与输入通道蔫襻电压的信号调节放大器，和输入端连接到低噪声放大器，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器放大，再经过电压跟随器缓冲后，被送至的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是周围温度与实际参考值之间的差值。对于型热电偶，电压变化率为，电压可由线性公式（）×（一）来近似热电偶的特性。上式中，为热电偶输出电压（），是测量点温度，“是周围温度。（）冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在。范围变化。冷端温度即安装的电路板周围温度，此温度在范围内变化。当冷端温度波动时，仍能精确检测热端的温度变化。江苏大学硕士学位论文是通过冷端补偿来检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际