基于ARM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方雙蓮　李小力

摘 要：鑒于目前溫度控制系統(tǒng)中使用的單片機(jī)存在諸多不足之處，為了完善溫度控制系統(tǒng)的功能，本文將提出一種基于ARM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；贏RM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)具有AT9lRM9200微處理器、Red Hat Linux9.0平臺(tái)、Qt/Embedded版本等的支持，因而可以確保基于ARM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)達(dá)到高可靠性、高動(dòng)態(tài)性、高穩(wěn)定性、高控制性的效果。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式；多回路；工業(yè)溫度控制系統(tǒng)

當(dāng)前，單片機(jī)是設(shè)計(jì)開發(fā)溫度控制系統(tǒng)的常用芯片，用以實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。不過，因單片機(jī)中的ROM與RAM存在空間小的局限，所以調(diào)試、運(yùn)動(dòng)較大程序具有一定困難，且還存在其他諸多不足之處。于是，為了完善溫度控制系統(tǒng)的不足，本文將提出基于ARM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用32位RISC微處理器AT9lRM9200、極限環(huán)法自整定PID參數(shù)等來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基于AVR單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，嵌入了AT9lRM9200微處理器，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的通用性多路溫度測(cè)控與實(shí)時(shí)溫度測(cè)控。其中，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了ARM9這一高性能的處理器，并以各種信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片為主，而在軟件設(shè)計(jì)中則采用嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)為主。如圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有2個(gè)：①滿足較強(qiáng)通用性、可移植功能的硬、軟件設(shè)計(jì)可以通過適當(dāng)改動(dòng)就能獲得不同應(yīng)用系統(tǒng)的支持；②系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互傳輸可以在較小以太網(wǎng)上利用串行通信接口來實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要以AT9lRM9200為核心，便于達(dá)到數(shù)據(jù)處理、通訊、存儲(chǔ)等設(shè)計(jì)目的，擴(kuò)展了2個(gè)SDRAM（32M，程序堆棧的設(shè)置與各種變量的存放均在SDRAM芯片中實(shí)現(xiàn)）、1個(gè)Flash（2M，用以存放啟動(dòng)代碼）。同時(shí)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)通過5大模塊來實(shí)現(xiàn)，即①溫度采集模塊，可實(shí)現(xiàn)24個(gè)回路的溫度數(shù)據(jù)采集；②控制執(zhí)行模塊，采用可控硅PWM來控制溫度；③通訊電路模塊，以RS-232串口連接通訊PC機(jī)，Internet的接入可支持DM9161（IEEESO2.3標(biāo)準(zhǔn)）來實(shí)現(xiàn)；④溫度顯示電路模塊，可通過USB接口來接入U(xiǎn)盤；⑤電源模塊。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊中運(yùn)用了AT9lRM9200微處理器，有16K空間，以SPI串行通訊為接口，處理器自行分配的地址為0XFFFE0000—0XFFF3FFFF。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先初始化SPI模塊中的各個(gè)寄存器，對(duì)于SPI接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)讀取。而后，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、反饋控制、存儲(chǔ)等操作，為后續(xù)觀察分析做好準(zhǔn)備。

3.2 USB通道模塊的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的USB通道模塊以FATI6為核心，其具有2G的最大分區(qū)支持、32KB的分區(qū)簇，同時(shí)文件系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而方便在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。此外，USB設(shè)備配置的實(shí)現(xiàn)可通過Linux API功能函數(shù)控制來完成，如獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道；對(duì)USB設(shè)備特有的設(shè)備描述符進(jìn)行讀取與解析等。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)以FATI6為主的USB通道模塊系統(tǒng)時(shí)，需要重視文件名的作用，文件存放的起始簇號(hào)、目錄項(xiàng)、文件扇區(qū)號(hào)都需要根據(jù)文件名來獲得，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)U盤對(duì)文件的讀寫操作。

3.3 基于Qt/Embedded圖形用戶界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的圖形用戶界面設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)以面向嵌入式系統(tǒng)的Qt/Embedded版本為主，使用FrameBuffer為GAL層的技術(shù)支持，利于構(gòu)建一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架?；赒t/Embedded設(shè)計(jì)的圖形用戶界面可支持多個(gè)GUI臺(tái)的交互開發(fā)及支持所有的UNIX系統(tǒng)，并具有較好的擴(kuò)展性、可移植性。在主窗口的創(chuàng)建過程中，首先應(yīng)基于main.cpp函數(shù)來創(chuàng)建QApplication類型的對(duì)象，定義主窗口的變量，明確QApplication類管理圖形用戶界面應(yīng)用程序的控制流和主要設(shè)置，并運(yùn)用QAPPIication類型的函數(shù)調(diào)用主窗口變量來啟動(dòng)主窗口。如圖2，是基于Qt/Embedded圖形用戶界面設(shè)計(jì)的主監(jiān)控界面。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為消除焊縫周圍的內(nèi)應(yīng)力，在實(shí)驗(yàn)開始需進(jìn)行熱處理，采用4-9厘米壁厚的鋼管進(jìn)行前后的焊接。本系統(tǒng)的試驗(yàn)具體分為3個(gè)步驟，即為升溫、降溫、保溫，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是針對(duì)第一路長(zhǎng)度為1米的碳鋼管道熱處理情況，該路要求升溫速率、保溫溫度、保溫時(shí)間、降溫速率保持在200℃/h、650℃、30分鐘、198℃/h。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到6-9分鐘的時(shí)候，實(shí)際溫度維持在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，設(shè)置溫度的增加并未引起受熱體溫度與恒速率的上升，溫控系統(tǒng)存在時(shí)滯現(xiàn)象，這是受制于構(gòu)件熱容量大所導(dǎo)致的控制系統(tǒng)因慣性大而引起容量延遲。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)入到10-19分鐘的時(shí)候，實(shí)際溫度升高，實(shí)際溫升速率加快，系統(tǒng)試驗(yàn)穩(wěn)定情況在20分鐘以后，實(shí)際溫度呈現(xiàn)恒速率的升溫。

[參考文獻(xiàn)]

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