基于ARM的嵌入式温度控制系统设计.doc

1、 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目： 基于 ARM的嵌入式温度控制系统的设计 指导者： 评阅者： 南京工程学院毕业设计（论文） 摘要 温度的测量和控制在 工业生产中有广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、冶金等工业领域中，对温度的测量和监控是非常重要的一个环节，温度参数是工业控制中的一项重要的指标。 本文主要研究了基于 ARM7 架构的嵌入式系统对于温度控制的应用，它基于 ARM7 内核的 LPC2124, 以 DS1820 采集温度信号 , 通过 RWB 温度变送器和 A/D 转换获得实际温度值 , 同时通过 LCD 实时显示 ; 此温度控制系统应用于

2、热电仪 , 实际应用表明 , 系统稳定、可靠 , 满足了热电仪的温度控制要求。 关键词： ARM； Proteus； 嵌入式系统 ； 温度控 制系统 南京工程学院毕业设计（论文） Abstract Measurement and control of temperature is widely used in industrial production, especially in the petroleum, chemical, electric power, metallurgy and other industrial fields, measurement and monitoring

3、 of the temperature is a ver y important link, the temperature parameter is an important index in industrial control. This paper mainly studies the ARM7 based embedded system for the application of temperature control based on ARM7, which based on the LPC2124 kernel, the DS1820 collecting temperatur

4、e signal, to obtain the actual temperature value through the RWB temperature transmitter and A/D conversion, at the same time through the LCD real time display; This paper introduces the principle, the system implementation process, gives some application circuits. This temperature control system us

5、ed in the power system, the practical application shows that the system is stable and reliable, meet, the thermoelectric instrument temperature control requirements. Key words： ARM； Proteus； Embedded system； Temperature control system 南京工程学院毕业设计（论文） 目录 第一章 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 选题背景与意义 .1 1.3 研究现状 .2

6、1.4 论文主要研究内容 .3 1.5 主要章节安排 .3 第二章 开发工具的介绍 .4 2.1 Proteus 的功能 .4 2.1.1 Proteus 的功能简述 .4 2.1.2 资源丰富 .5 2.1.3 电路仿真 .5 2.2 ADS1.2 .6 2.2.1 ADS 种类 .6 2.2.2 软件组成 .6 第三章 软硬件介绍 .8 3.1 ARM .8 3.1.1 ARM 简介 .8 3.1.2 ARM7 .8 3.2LPC2124 处理器 .9 3.2.1LPC2124 简介 .9 3.2.2 特性 .9 3.2.3 结构 .9 3.2.4 引脚描述 . 10 3.3 硬件系统的整

7、体结构 . 11 3.3.1 硬件系统的设计原则 . 11 3.3.2 系统硬件的整体结构 . 12 3.3.3 基本硬件组成 . 12 第四章 软件设计 . 17 4.1 系统软件的整体结构 . 17 4.2.1 测控系统 . 18 4.2.2 显示数字功能 . 19 4.2.3 A/D 转换数据采集程序功能与实现 . 21 第五章 总结与展望 . 25 5.1 全文总结 . 25 5.2 后续工作及展望 . 25 致谢 . 27 参考文献 . 28 附录 . 29 南京工程学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 42 页 第一章 绪论 1.1 引言 嵌入式系统 这几年 被广泛应用于各种工业领

8、域、无线通信领域、智能仪表，消费电子等各个领域 ，离不开 微电子技术的 迅猛 发展，它主要用于各种嵌入式应用，以将计算机硬件和软件相结合的手段，完成指定的任务和功能。嵌入式系统在 系统可分为 分为系统级 ，电路 板级 ，设备 级。系统级指的是各种工 业 控计算 机，板级是指 CPU 的主板和 OEM(原始设备制造商 )的产品，最 常见 的 设备 是 一个 单片 微 机，其后嵌入式应用 越来越广泛， 很多半导体厂商致力于研发嵌入式微处理器，并有 出现许多 支撑 嵌入式应用的 嵌入式操作系统。一般 由于某一领域 有着特殊要求， 嵌入式系统 必须做出相应的调整 ， 不仅要求 产品体积够 小 ，能够实

9、时掌握现场情况， 系统 在任何工作环境中都能出色的完成任务 ，又要求产品 具有令人满意成本和效益 。因此 ， 嵌入式系统 的发展 ， 如何选择特定的应用的嵌入式处理器，并且嵌入式操作系统该如何匹配是十分重要的 。 温度控制系统的最大特点 是过程控制 , 跟其它控制系统的不同是温度控制系统有其独特的特性。比如， 该系统是由机械和机电为对象，以微分方程求解线性定长参数的动态问题，这种情况是 但是用一样的 手段 来 解决 温度过程 中的问题不会得到较好的结果 ， 这是由于 场 下 是 不容易产生较大的误差。 热能的传送形式 , 所以它具备 直观 的非线性、时变性、分布性以及时间滞后的特性。如果你 使

10、 用 分析 的 方法来 建模，其结果 通常 是非常复杂的，或在 对 模型 进行 简化中，失去 一些 些最重要的因素 , 使得模型跟对象 很难一致 。 对此 ，对温度系统的建模 , 通常 使 用 的是实证模型，或理论分析与实证研究 。 本 文对温度控制系统进行了研究，并阐述了优化的 PID 控制算法，利用微处理器 LPC2124，具有 ARM7 内核，通过传感器 DS1820温度信号的采集，在自整定实现实时控制系统最有效的参数，准确地控制所需的温度。 系统 由 电加热器、控制器和温度传感器及变换器三部分 组成，形成 闭环控制回路。 在自整定实现实时控制系统最有效的参数，准确地控制所需的温度 。

11、1.2 选题背景与意义 近年来，在生产、生活中的各种应用的出现，增加了微电子技术和嵌入式技术南京工程学院毕业设计（论文） 第 2 页 共 42 页 的需要，同时也促进了自动控制理论，不断发展，尤其是工业控制对象特定的工业控制器，测量 和控制 系统的设计进入了一个新的领域。 对 温度的测量和控制 具有重要的意义，尤其是 在工业生产中， 在石油，化工，冶金，电力行业这样的一个重要的工业领域。 热处理炉， 熔融 金属的坩埚炉，以及各种反应 器工业中非常普遍，许多 行业需要 大量 的加热 装置 ， 因此 ，温度 在有关温度的 控制中就成 为 了 非常敏感的参数 。由于 类型 ， 目的 ， 方式 的不同

12、， 不同的 加热方法也 是不一样的 ，比如 用石油提炼气体、汽油，发电厂发电的方式 等等，但 它用来 控制 的 系统 是不断变化的 ， 基本上 属于 非实时性的 。 因为 温度 在各种熔炼 生产中 非常 常见 ，它也属于最重要的 的控制 因素之一 ， 所以 对 关于 温度的测量和控制 的技术和开发 具 备巨大 的实际 利用 价值和应用前景。 尤其 是在 许多 工业场合 中 ，产品的质量、设备运行的安全性和经济性直接 受 温度 的影响 ，例如 对 电厂锅炉 的 蒸汽温度 进行控制 ，整个过程都 需要 严格的控制和测量。通常 过热器使用 在 大于 10 低于 20 下 的环境中 ， 它的使用年限会

13、大大减少 ，严重影设备 安全 使用，对生产和人员造成非常大的潜在危害 。 太 低 的 过热蒸汽温度 ， 会 降低 设备 的运转 效率 。倘若 汽轮机最后几级蒸汽湿度增加， 就会 造成汽轮机叶片磨损，一般情况下 汽温每降低 10 ，循环热效率 就会 降低约 0.5。 1.3 研究现 状 借助于越来越先进的互联网 技术， 通过多年的发展 ，嵌入式系统又 迎来 了 第二次革新时代 ， 最初的只有 低端 应用，现在是各种高端和低端应用同时流行 ， 而且对要求及较低的嵌入式系统也不停的发展 ， 这几年 32位 MCU的出现也是新兴的产品 。 目前 电流控制方案是基于传统的 PLC 和单片机控制 ， 可

14、满足大多数用户的需要。PLC 在大多数情况下用于简单 工 程跟很少重复的工程 ， 其缺点是不够灵活 ， 而 且 占用空间 ， 代价较高 ， 若想增加功能需要较多的额外组件 ；而单片机主要 出现在 小型设备的控制 中 ， 特别 是 用于 控制专业电子设备， 其优点是花费少 ， 耗能低 ， 运行速度快 ， 其缺点是诸如 程序 只能在最初使用时装入，未来不能由用户修改，外围设备的控制的能力和抗干扰能力都比较低。 为了适应信息产业的发展，现代化的发展 ，新的技术创新和产业化 ，本文采 用 32位 ARM7嵌入式 LPC2124 ATMEL微控制器 实现温度控制， 它 具有 良好的可 扩展性 ， 可靠性

15、高 ， 精度高 ，测量和 多任务实时调度控制， 响应速度快 ， 体积小等 优良特性 ， 在实际应用中已成为用户的首选 。 南京工程学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 42 页 1.4 论文主要研究内容 该本论文涉及的理论基础 ， 嵌入式 ARM的 温度控制系统 的 硬件接口功能 ， C 语言函数 ，按照顺序 ，主要包括了以下几个方面： 一 方面我们 在 ARM7，理论基础， 系统 的组成， 分类、应用领域 和 研究现状进行了 综述 ，分析了研究 的 难点 ，并探讨学习遇到的困难 。接着，我们对本设计中用到的 ARM7 的各个接口功能作了介绍，对于多余的接口可以适当的增加系统功能，使设计更加完

16、善。 另一方面，本设计完全在 proteus 软件中进行仿真，对 Proteus 也进行了详尽的介绍。程序的编辑、编译用到了 ADS1.2，对 ADS1.2 的种类和软件组成作了简单的介绍。 最后，就全文的成果加以总结，讨论了添加液晶显示屏以使系统具有良好的人机交互界面的必要及对进一步研究的展望。 1.5 主要章节安排 首先 介绍了 课题研究的背景和 对实际生产生活的 意义。第一章总体的介绍设计的内容。第二章主要介绍了 ARM的结构， 描述了 Proteus软件应用 ，介绍了 ADS1.2。第三章专门分析了硬件设计所需要注意的问题，选择什么处理器和温度传感器。第四章主要阐述软件的设计，每个功能

17、的实现都对应一段程序代码。第五章给出了综合测试的结果，对发现的问题进行讨论并提出解决办法。最后给出结论 ， 并对课题未来的发展做出 合理的 展望。 南京工程学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 42 页 第二章 开发工具的介绍 2.1 Proteus 的功能 Proteus用用软件 是英国的 一个 实验室中心研发的 EDA软件工具（广州风标电子技术有限公司 代理 该软件 在中国的使用权 ）。它 应用丰富， 不 但拥有别的同样软件的功能 ，还 能够对 单片机 进行仿真，模拟外接模块 。 在单片机的教学试验中已经成为首选 。软件如图 2.1所示 图 2.1 Proteus 软件图 2.1.1 Pr

18、oteus 的功能简述 Proteus软件具备常用的 EDA（如： MULTISIM） 的功能。这些功能是： 1原理布图 2 PCB自动或人工布线 3 SPICE电路仿真 革命性的特点 1互动的电路仿真 比如随机存储寄存器 ， 只读存储器 ，键盘， 引擎 ， LED， LCD， 模数转换 ， 数模转化，一些 SPI元件 ， 个别 IIC 元件的模块， 用户 也 可以实时采用。 2仿真处理器及其外围电路 南京工程学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 42 页 仿真主流 芯片，如 51 系列 ， AVR 单片机， PI， ARM 芯片 等。 1也 可以直接在基于 虚拟样机原理图设计 ，再 加上 显

19、示输出，看到运行后输入输出的 影响 。 2.1.2 资源丰富 1 Proteus 仿真组件 可 以 提供资源：数字和模拟仿真、 AC 和 DC， 成千上万的成分， 有 30多个 元件库。 2 Proteus 仿真组件包含许多显示模块 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、 I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上 相同的 仪器可以在一个电路中 任意 调用。 3除了 在生产生活已经应用的一起， Proteus 格外增加 了一个 显示图像的功能， 能够对 线路上信号 的改变给予实时的显示，示波器也具有此功能 ， 但Proteus 功能更多。 1这些 仿真

20、的模块能设置合格的参数指标 ，如输入阻抗 和输出阻抗 都非常低 。这些都尽 量 减少了仪器 质量 对测量结果的影响。 4 Proteus 具有更加 全面 的测试信号 ， 用于测试电路。测试信号包 含 模拟和数字信号。 2.1.3电路仿真 用 PROTEUS 搭建模型 ， 完成后导入用 ADS1.2 编辑编译成功的目标程序 ：*.HEX， 就能够 在 PROTEUS 中看到与实物完全相同的运行效果 。 PROTEUS 是 一种先进的 单片机课堂教学助 理 。 PROTEUS 能够模拟单片机的功能 ， 而且更具有形象化，还能模拟单片机做的实例 。前者可在相当程度上 物理 演示实验的效果，后者 的效

21、果 是 很难通过实物演示实验达到的。 它的 优点之一是与组 件、线路等 跟原始 的单片机实验硬件 兼容 。课程设计、毕业设计 的完成 是 学生 将理论转化为实践 的重要环节 ，也是成功就业的前提 。因为各种种类繁多的组件一般 实验室 不可能完全拥有 的， 但 PROTEUS 拥有所有的元器件模块，还能更具目的方便的修改电路设计， 随着科技的发展， “计算机仿真技术 ”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。 它能够灵活的设计模块，而在设计过程中能随时查看结果 。 能够把 设计时间大 大 缩短 ，成本最大化的 减少，也降低 了 工程制造的风险。 我 相信 ， PROTEUS 在单片机开发应用中也

22、会被越来越多 的应用。 南京工程学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 42 页 目前最新版 本的 Proteus8.0 增加 了 ARM cortex处理器， 而 在 7.10版本中只 增加 了 DSP 系列（ TMS320）。 2.2 ADS1.2 2.2.1 ADS 种类 ADS 包括三种调试器： 1.AXD（ 扩展调试器） ： ARM调试器 2.armsd（ ARM符号调试器 ）： ARM 符号调试器。 3.ARM 调试工具 中 与 常用操作系统如 Windows 或 Unix 版本 兼容的，ADW/ADU（ Application Debugger Windows/Unix） 2.2.

23、2 软件组成 1.编译器： ADS 具备各种 编译器， 用来处理 ARM和 Thumb的指令。 Armcc属于 ARM C 编译器 Tcc属于 Thumb C 编译器 Armcpp属于 ARM C+编译器 Tcpp属于 Thumb和 C+共有的 编译器 Armasm属于 ARM和 Thumb共有 的汇编器 2.链接器： armlink 是 ARM 的 链接器。该命令 能够对任意数量的 目标文件 进行编译 和 任意数量数据 库文件 的 链接 关系 ， 然后得到 可执行 的 文件， 还能是众多 目标文件 指向的目标文件的局部 。 3 3.符号调试器： armsd 是 ARM 跟 Thumb 共有的

24、 符号调试器。 4.fromELF： 当需要将 输出文件 转换为特定 格式的 时，把原始 格式的文件转换 成相应的格式 ， 支持的文件包含 Motorola 32位 S格式映像文件、 bin格式的映像文件、 Verilog十六进制文件和 Intel 32位格式映像文件。 5.armar： armar函数生成器只存在 ARM库 中 ，它 是一个收集 一系列 的 ELF 格式的目标文件 的库函数形式 。用户 能后使用以 库传递 方式的 链接器 替代多个 ELF 文件。 6.CodeWarrior： CodeWarrior 集成开发环境（ IDE） 用一个简单的 图形用户界面为多元化经营 和 发展 项目提供了 巨大方便 ，用户开发程序代码 时 。