【正文】 嵌入式系統(tǒng)課程論文 基于 ARM 的溫度測控系統(tǒng)的設計 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓名： 左立剛 學號： 031040522 指導老師： 劉三軍 日期： 2021 年 11月 3日 2 目 錄 第一節(jié) 引言 ……………………………………………………… 3 溫度控制系統(tǒng)概述 …………………………………… 3 本設計的主要任務和目標……………………………… 4 第二節(jié) 系統(tǒng)設計原理及方案選擇……………………………… 4 系統(tǒng)框圖 ………………………………………………… 4 方案論證………………………………………………… 4 各部分電路方案………………………………………… 5 第三節(jié) 硬件電路設計與計算…………………………………… 7 溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路…………………………………… 7 溫度控制電路…………………………………………… 8 ARM 控制部分 ……… …………………………………… 9 鍵盤顯示設定部分……………………………………… 10 第四節(jié) 實驗測試………………………………………………… 11 整個系統(tǒng)的軟件流程圖 ……………………………… 11 溫度設定………………………………………………… 13 PWM 輸出………………………………………………… 13 第五節(jié) 課程設計總結………………………………………… 13 設計中遇到的問題及解決…………………………… 13 設計還存在的問題…………………………………… 14 第六節(jié) 附錄……………………………………………………… 14 3 第一節(jié) 引 言 溫度測量與控制在現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)及日常生活中應用廣泛，分類較多，不同場合不同環(huán)境的溫度控制系統(tǒng)也不盡相同，因而要根據(jù)不同的控制目標與要求設計出較好的溫度測控系統(tǒng)，其中比較簡單應用也十分廣泛的就是采用 PID調(diào)節(jié)控制，從而達到較理想的控制指標。本課題的控制內(nèi)核采用 PHILIPS 的 ARM2131控制整個系統(tǒng)。采用軟件編程，實現(xiàn)用 PID 算法來控制 PWM波的產(chǎn)生，進而控制電爐的加熱時間來實現(xiàn)溫度控制。然而 ,單純的 PID 算法無法適應不同的溫度環(huán)境 ,在某個特定場合運行性能非常良好的溫度控制器 ,到了新環(huán)境往往無法很好勝任 ,甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定 ,需要重新改變 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)值以取得佳性能。 本文首先用 PID 算法來控制 PWM 波的產(chǎn)生，進而控制電爐的加熱時間來實現(xiàn)溫度控制。當實際溫度偏離控制溫度系統(tǒng)會通過軟件自動修改重新穩(wěn)定在控制目標附近，從而不至于使控制要求產(chǎn)生不理想的偏差。當系統(tǒng)環(huán)境變化時可以通過軟件修改參數(shù)達到較好的控制要求。 溫度控制 系統(tǒng)概述 溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐爐溫進行測、顯示、控制，使之達到工藝標準。 經(jīng)過近年來的發(fā)展， ARM 控制技術的發(fā)展越來越進步， ARM 技術的應用也已經(jīng)日趨成熟?？梢灶A見在不遠的將來以 ARM 控制為核心嵌入式的發(fā)展會越來越廣泛。 以 ARM 為核心設計的溫度控制系統(tǒng) ，可以同時采集多個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至數(shù)碼管進行顯示和控制。那么無論是哪種控制，我們都希望溫度控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內(nèi)），幫助我們實現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題。 在計算機沒有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當今，隨著電 子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機技術和傳感器技術的不斷改進，而且計算機和傳感器的價格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術來實現(xiàn)溫度控制并提高控制的精 確度不僅是可以達到的而且是容易實現(xiàn)的。用高新技術來解決工業(yè)生產(chǎn)問題， 排除生活中對溫度的控制問題已成為我們電子行業(yè)的任務，以此來加強工業(yè)化建設，提高人民的生活水平。 本系統(tǒng)的主要任務和目標 4 基本要求 整個系統(tǒng)可以自由修改要達到的控制溫度，即修改給定量，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設定的溫度基本不變 。 性能指標 @ 控制精度 溫度控制誤差 = 1 攝氏度度 @ 用數(shù)碼管顯示設定溫度后轉(zhuǎn)化城的控制電壓、實際電壓、設定溫度。 第 二 節(jié) 系統(tǒng)設計原理及方案選擇 系統(tǒng)框圖 方案論證 本課題并沒有要求我們做出的具體控制系統(tǒng)的應用工作環(huán)境，因而我們選擇的余地比較寬裕，對具體的性能指標也可不必做太過嚴格的要求。根據(jù)我們手中現(xiàn)有的資源，有下面 兩種方案可供選擇： 方案一 ：選擇的溫度傳感器為外形比較短小的熱敏電阻（圖 1），它的特點是常溫下電阻值特別大，而且為負溫度系數(shù)電阻，即隨著溫度的升高，其電阻值在不斷地減小。而比較麻煩的它是一個隨溫度非線性變化的電阻，這就增加了整個系統(tǒng)的控制難度，它實際上要求我們在這個溫度傳感器上要做大量的工作，比如我們要把它隨溫度變化的曲線一點點的測試出來，然后還要還要根據(jù)測試出來的曲線圖進行分段線性化，這樣才有利于在控制程序中進行軟件編程。而我們根據(jù)手頭的器材，只能簡單的測試幾個點的溫度以及與其相對應電阻值，這樣經(jīng)過簡單的 計算就能得出該溫度傳感器的簡單的溫度變化曲線圖，這樣就可以通過具體電路把電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最后在通過周立功單片機公司生產(chǎn)的LPC2131 開發(fā)板自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊采樣得到具體變化的電信號值。有了這個電信號值就可以控制加熱來實現(xiàn)溫度的控制。 方案二 ：選擇溫度和電阻值變化為線性變化的 Pt1000 溫度傳感器（圖 2）， 傳感器 加熱 電阻 信號處理電路 控制反饋調(diào)節(jié) A / D 鍵盤顯示 ARM2131最小系統(tǒng) 電 源模塊 5 這個溫度傳感器能為我們節(jié)省大量的前期工作，而且控制方便容易實現(xiàn)。根據(jù)IEEE 規(guī)定該型號的鉑電阻傳感器溫度變化系數(shù)為 歐 /攝氏度，需要注意的是該數(shù)值為百分數(shù)。它在 0攝氏度時電 阻值為 1000 歐，溫度每升高 1攝氏度，電阻值增加 歐。再通過差分電路信號放大電路將信號進行較好的處理后，在采用和方案一同樣的 A/D 轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)溫度控制。