嵌入式課程設(shè)計(jì)之ARM的溫度采集系統(tǒng)

指導(dǎo)教師評定成績：審定成績：重慶郵電大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：ARM的溫度采集系統(tǒng)學(xué)校：重慶郵電大學(xué)學(xué)生姓名：專業(yè)：自動(dòng)化班級：xxxxxxxx學(xué)號：xxxxxxxxxx指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2023年12月重慶郵電大學(xué)摘要本文設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)，它基于三星公司生產(chǎn)的ARM7內(nèi)核的S3C44B0，以Pt100熱電阻采集溫度信號，通過RWB溫度變送器和A/D轉(zhuǎn)換獲得實(shí)際溫度值，同時(shí)通過LCD實(shí)時(shí)顯示；通過調(diào)整脈寬調(diào)制的占空比，控制加熱電路繼電器的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。文章介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成原理，實(shí)現(xiàn)流程，并重點(diǎn)介紹了PID自整定算法的原理和實(shí)現(xiàn)，給出了局部應(yīng)用電路。此溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱電儀，實(shí)際應(yīng)用說明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足了熱電儀的溫度控制要求。

關(guān)鍵詞：ARM；溫度控制；PID；自整定Abstract:Atemperaturecontrolsystemisdesigned,whichisbasedontheS3C44B0oftheAdvancedRISCMachine(ARM)producedbytheSamsung.UsingPt100tomeasurethetemperature,therealvalueisgottenthroughRWBtemperatureconverterandA/DtransformationanddisplayedbyLCDmeanwhile.Thesystemisundertheclosedloopcontrolwiththeheatingcircuitrelay’sopeningorclosurewhichisdecidedbythePWM.Thesystemcomponentprincipleandtheflowrealizationisintroduced,someapplicationcircuitisprovided,emphasizethePIDself-turningtheoryandmethod.Thetemperaturecontrolsystemisdesignedforthethermoelectricityinstrument.Theexperimentalresultsshowthatitissafeandreliable,andmeetthedemandofthethermoelectricityinstrument.Keywords:advancedRISCmachine;PID;temperaturecontrol;self-turning引言處在溫差條件下的礦物，對外表現(xiàn)為溫差熱電勢E，溫差一定時(shí)，E到達(dá)一平衡值。E除以溫差得到的就是礦物的熱電系數(shù)，它能夠靈敏的反映礦物成分和晶體結(jié)構(gòu)的某些細(xì)微差異，在金礦找礦和礦床評價(jià)方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。用來測量礦物熱電性的熱電系數(shù)測量儀〔熱電儀〕，在市場上并沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，需要根據(jù)需求自行開發(fā)。其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是將溫度精確控制在設(shè)定值，為半導(dǎo)體礦物創(chuàng)造恒定的溫差條件。本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)就是來解決這一問題。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[1]。例如，對機(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。假設(shè)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，使模型和對象間產(chǎn)生過大的偏差。因此，對溫度系統(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)，通過改良的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，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局部，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)被控對象的熱傳遞效率，對外部變化反響靈敏，溫度調(diào)節(jié)精度高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)該溫度控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)對設(shè)定溫度的實(shí)時(shí)控制，操作人員可以通過鍵盤設(shè)定目標(biāo)控制溫度，通過單片機(jī)的邏輯程序控制，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的組成主要分為三局部，即三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X單片機(jī)所構(gòu)成的單片機(jī)控制系統(tǒng)；由Pt100熱電阻、溫度補(bǔ)償，運(yùn)算放大電路構(gòu)成的溫度檢測通道；由三極管運(yùn)放電路、固態(tài)繼電器和外部加熱器構(gòu)成的輸出控制通道。其中，單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理和交換功能都是利用單片機(jī)的軟件來實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)，設(shè)定溫度由操作人員通過鍵盤完成，并通過LCD顯示設(shè)定溫度值；由Pt100熱電阻檢測控制對象實(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)行比擬，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。硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖本設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖1所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實(shí)現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從CPU協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機(jī)交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖1所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源局部＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊〞實(shí)現(xiàn)所需功能。圖1溫控系統(tǒng)原理圖電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的電源電路由兩局部組成：系統(tǒng)總電源電路和RAM核心模塊電源電路。如圖2：+12V恒定直流電源經(jīng)電容濾波，分別進(jìn)入7809和7805穩(wěn)壓，得到+9V和+5V的穩(wěn)定電壓輸出后分別供應(yīng)ARM核心控制模塊和其余電路局部使用。圖中IN4148是為了防止輸出端并接高于本穩(wěn)壓模塊的輸出電壓而燒壞7809和7805而特別設(shè)計(jì)，到達(dá)了可靠性電源設(shè)計(jì)目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時(shí)均應(yīng)在7809和7805上加散熱片散熱。由圖可見，系統(tǒng)采用雙電源供電，提供了系統(tǒng)正常工作所需的電源電壓。另外，由于考慮到便攜目的，本系統(tǒng)采用+12V鉛蓄電池提供系統(tǒng)所需的恒定直流電源。圖2系統(tǒng)電源電路原理圖如圖2：I/O口提供了相應(yīng)的穩(wěn)定直流電源。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設(shè)計(jì)的。由于S3C44B0x采用2.5V作為ARM內(nèi)核電源，使用3.3V作為I/O口電壓，故ARM核心控制模塊電源需要另外單獨(dú)設(shè)計(jì)，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路提供的+9V穩(wěn)壓電源作為輸入，分別經(jīng)AS1117-5.0、AS1117-3.3、AS1117-2.5穩(wěn)壓后，輸出5.0V、3.3V和2.5V恒定電源，為RAM內(nèi)核和I/O口提供了相應(yīng)的穩(wěn)定直流電源。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設(shè)計(jì)的。溫度采集電路設(shè)計(jì)溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機(jī)作為模塊的協(xié)控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因?yàn)镈S18B20是Dallas公司最新單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器集溫度變換、A/D轉(zhuǎn)換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場溫度直接以“一線總線〞的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，且提高了CPU的效率。AT89S52單片機(jī)的P0口與8路溫度傳感器相連，用于采集溫度數(shù)據(jù)；另外，模塊提供RS-232串行口與RAM核心控制模塊通信，到達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。溫度采集模塊電路原理圖如圖3-3。圖3溫度采集電路原理圖軟件設(shè)計(jì)流程圖圖4程序流程圖由該流程圖可看出，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與ARM核心控制模塊連接正常，并通過UART復(fù)位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進(jìn)入正常溫度數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；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；假設(shè)沒有鍵值按下，那么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。程序設(shè)計(jì)溫度處理與轉(zhuǎn)換子程序如下：//存放讀取到的當(dāng)前溫度值，未轉(zhuǎn)換StaticU16a-temp-now[8]={8*0}//存放經(jīng)精度計(jì)算后的實(shí)際溫度值，高8位整數(shù)局部，低8位小數(shù)局部staticU16b-temp-now[8]={8*0};//存放8路轉(zhuǎn)換后溫度值,分別為百位,十位,個(gè)位,小數(shù)位staticU8temp-convent-all[32]={32*0};//-------------------------------//溫度處理與轉(zhuǎn)換子程序//----------------------------------voidtemp-change(void){U8negtive=0x00;

//存放數(shù)的符號，假設(shè)為正=0；假設(shè)為負(fù)，=0xffU8j=0;U8*pt=temp-convent-all;U16*p1=a-temp-now;U16*p3=b-temp-now;U16temp=0;

for(j=0;j<8;j++){

negative=0x00;

temp=*p1;

//假設(shè)溫度為負(fù)值，進(jìn)行相應(yīng)處理

if((temp&0xf80)！=0)

{

temp=(~temp)+1；//轉(zhuǎn)為正的原碼

negative=0xff；//同時(shí)置符號為0xff

}//根據(jù)精度消除無關(guān)數(shù)據(jù)switch(a-temp-prec){case0x1f:

//精度為9位,那么去除最低3位無效位

{temp=temp&0xfff8;break;}case0x3f:

//精度為10位,那么去除最低2位無效位

{temp=temp&0xfffc;break;}case0x5f:

//精度為11位,那么去除最低1位無效位

{temp=temp&0xfffe;break;}case0x7f:

//精度為12位

{break;}

}//換算成實(shí)際溫度,并擴(kuò)大10倍,去掉小數(shù)局部temp=(U16)((float)(temp)*0.625);//折算放入b-temp-now

數(shù)組中//高8位放整數(shù)局部，低8位放小數(shù)局部，最高位放符號位if(negtive==0xff)//假設(shè)為負(fù)值{*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;}

else

{*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)&0x7fff;}if(negative==0xff)//假設(shè)為負(fù)值{(*pt++)=0x80;}else{(*pt++)=temp/1000%10+0x30;}(*pt++)=temp/100%10+0x30;(*pt++)=temp/10%10+0x30;(*pt++)=temp%10+0x30;p1++;p3++;}//轉(zhuǎn)換完成后去除讀回的原始溫度p1=a-temp-now;for(j=8;j>0;j--){*p1++=0x0;}}總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我對ARM嵌入式系統(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)處理中的溫度采集系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的了解，同時(shí)知識面也進(jìn)一步得到了擴(kuò)展和加深。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是對基于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改良方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的開展與使用，幫助我們更好的理解嵌入式系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)的原理和應(yīng)用。在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深的感觸到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，尤其是在當(dāng)今的社會(huì)工作中，一個(gè)人的力量在一個(gè)巨大的任務(wù)前是那么的渺小，必須靠多人合作才能共同完成。通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際，與具體工程、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既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