嵌入式大作業(yè)

PAGE8PAGEI嵌入式大作業(yè)基于ARM的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院軟件工程學(xué)院姓名:學(xué)號(hào):摘要本設(shè)計(jì)是基于嵌入式技術(shù)作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0xARM微處理器作為主控CPU，PT100作為采集模塊采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論了如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴(kuò)展性。并解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于存在響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。通過本次課程設(shè)計(jì)，鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。讓我們懂得了怎樣將理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題能夠集體討論，查閱資料，深刻研究，并通過不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。目錄PAGE9目錄摘要 I目錄 i第1章設(shè)計(jì)原理 21.1原理概要 21.2硬件配置 31.21S3C44B0X 31.22Pwm 31.23PT100 31.3實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖 4第二章設(shè)計(jì)步驟 52.1功能描述： 52.2設(shè)計(jì)步驟 52.21設(shè)計(jì)思路 52.22設(shè)計(jì)思路流程圖 5第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 7第四章參考文獻(xiàn) 8《嵌入式系統(tǒng)》期末大作業(yè)第1章設(shè)計(jì)原理1.1原理概要嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時(shí)間（稱采樣周期）對(duì)同一點(diǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時(shí)值，也可是某段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)特征值。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對(duì)象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急?；贏RM的溫度采集系統(tǒng)就成為了解決傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)各種弊端的優(yōu)先選擇方案。溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制,與其它控制系統(tǒng)相比,溫度控制系統(tǒng)有其特殊性。例如,對(duì)機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)電系統(tǒng)用線性定常集中參數(shù)的動(dòng)力學(xué)微分方程來描述,通常不會(huì)帶來過大的誤差。然而用同樣的方法來處理溫度過程顯然不能令人滿意,因?yàn)闊崮艿膫鬟f是以場的方式進(jìn)行的,所以它具有明顯的非線性、時(shí)變性、分布性以及時(shí)間滯后。若用解析的方法為它建模,其結(jié)果不是過于復(fù)雜,就是在模型簡化過程中,失去某些最本質(zhì)的因素,使模型和對(duì)象間產(chǎn)生過大的偏差。因此,對(duì)溫度系統(tǒng)的建模,通常用經(jīng)驗(yàn)建模,或經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的建模。本文介紹的溫度控制系統(tǒng),通過改進(jìn)的PID控制算法,結(jié)合硬件ARM7內(nèi)核的S3C44B0微處理器,由傳感器PT100獲取溫度信號(hào),通過自整定獲取最適合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)所需溫度的精確控制。系統(tǒng)包括電加熱器、控制器和溫度傳感器及變換器三部分,構(gòu)成閉環(huán)控制回路。這種主動(dòng)熱控制的特點(diǎn)在于可適時(shí)調(diào)節(jié)被控對(duì)象的熱傳遞效率,對(duì)外部變化反應(yīng)靈敏,溫度調(diào)節(jié)精度高。1.2硬件配置1.21S3C44B0XS3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC結(jié)構(gòu)的CPU,是一款高性價(jià)比微處理器。其豐富的片上資源充分保證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn):2.5V供電的ARM7TDMI內(nèi)核上增加8kB的Cache;外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器(FP/EDO/SDRAM控制,片選邏輯);LCD控制器(最大支持256色的DSTN)并帶有一個(gè)LCD專用DMA通道;2個(gè)帶有握手協(xié)議的UART,1個(gè)SIO;5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;看門狗定時(shí)器;71個(gè)通用可編程I/O口,8個(gè)外部中斷源;多種功耗控制模式;8路10位ADC;PLL時(shí)鐘發(fā)生器等。1.22Pwm脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。1.23PT100pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時(shí)它的阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成均勻增長的。圖1-2-1PT100與溫度變化關(guān)系1.3實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖圖1-3-1溫度控制系統(tǒng)原理圖圖1-3-2.控制系統(tǒng)原理圖

第二章設(shè)計(jì)步驟2.1功能描述：1．某設(shè)備需對(duì)一個(gè)水罐的水溫進(jìn)行控制，要求水溫恒定在60℃±0.5℃。假設(shè)罐內(nèi)水溫通過PT100鉑熱電阻進(jìn)行采集，經(jīng)信號(hào)變換后輸出電壓是0~2.5V；加熱系統(tǒng)可以通過PWM輸出方式進(jìn)行調(diào)節(jié)：占空比為0時(shí)加熱系統(tǒng)關(guān)閉，占空比為1時(shí)滿功率加熱；2．用S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出功能設(shè)計(jì)相關(guān)電路；3．編寫溫度采集程序和加熱系統(tǒng)的PWM輸出程序；4．編寫一個(gè)簡單的溫度調(diào)節(jié)程序，使罐內(nèi)水溫穩(wěn)定在60℃；5．給出合理的程序注釋。2.2設(shè)計(jì)步驟2.21設(shè)計(jì)思路：工作時(shí),設(shè)定溫度由操作人員通過鍵盤完成(此處設(shè)置為60℃),并通過LCD顯示設(shè)定溫度值;由Pt100熱電阻檢測控制對(duì)象實(shí)際溫度值,經(jīng)過RWB溫度變送器和放大電路,將溫度信號(hào)送入S3C44B0的A/D端口,經(jīng)過固定公式換算得出實(shí)際溫度并實(shí)時(shí)顯示。程序控制系統(tǒng)將實(shí)際溫度值與系統(tǒng)設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,按照自整定PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算,確定下一時(shí)間單元輸出PWM信號(hào)占空比,以控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間,從而控制外部加熱器的平均輸出功率,實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖2是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。2.22設(shè)計(jì)思路流程圖開始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化開始ARM初始化硬件裝置初始化通信初始化LED顯示初始化鍵盤初始化掃描鍵盤有鍵按下處理數(shù)值相應(yīng)顯示數(shù)據(jù)獲取讀取數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，控制其溫度與設(shè)計(jì)溫度相同數(shù)據(jù)顯示YN由該流程圖可看出，剛上電時(shí)，S3C44B0x要先進(jìn)行ARM內(nèi)部的初始化，以使ARM進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)和模式；然后初始化硬件裝置，以使硬件系統(tǒng)可以正常支持溫度數(shù)據(jù)采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊pt100與ARM核心控制模塊連接正常；然后初始化LCD顯示和鍵盤，在LCD上顯示相應(yīng)的菜單列表，供用戶通過鍵盤選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進(jìn)入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤，以快速的響應(yīng)用戶的按鍵操作；若沒有鍵值按下，則ARM立即進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。其主程序包括溫度采集程序、ARM獲取溫度子程序、溫度處理和轉(zhuǎn)換子程序。當(dāng)ARM處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。第三章