基于ARM單片機的溫度控制系統的設計與實現

方雙蓮　李小力

摘 要：鑒于目前溫度控制系統中使用的單片機存在諸多不足之處，為了完善溫度控制系統的功能，本文將提出一種基于ARM單片機的溫度控制系統的設計與實現。基于ARM單片機的溫度控制系統具有AT9lRM9200微處理器、Red Hat Linux9.0平臺、Qt/Embedded版本等的支持，因而可以確保基于ARM單片機的溫度控制系統達到高可靠性、高動態性、高穩定性、高控制性的效果。

關鍵詞：ARM；嵌入式；多回路；工業溫度控制系統

當前，單片機是設計開發溫度控制系統的常用芯片，用以實現溫度控制的目的。不過，因單片機中的ROM與RAM存在空間小的局限，所以調試、運動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的不足，本文將提出基于ARM單片機的溫度控制系統的設計，在設計過程中運用32位RISC微處理器AT9lRM9200、極限環法自整定PID參數等來進行系統的設計開發。

1 系統設計

在基于AVR單片機的溫度控制系統設計當中，嵌入了AT9lRM9200微處理器，從而實現了整個溫度控制系統的通用性多路溫度測控與實時溫度測控。其中，該系統的硬件設計采用了ARM9這一高性能的處理器，并以各種信號轉換芯片為主，而在軟件設計中則采用嵌入式操作系統的應用程序設計為主。如圖1是系統結構圖，該系統的優點主要有2個：①滿足較強通用性、可移植功能的硬、軟件設計可以通過適當改動就能獲得不同應用系統的支持；②系統的數據信息交互傳輸可以在較小以太網上利用串行通信接口來實現。

2 系統的硬件設計

系統的硬件設計主要以AT9lRM9200為核心，便于達到數據處理、通訊、存儲等設計目的，擴展了2個SDRAM（32M，程序堆棧的設置與各種變量的存放均在SDRAM芯片中實現）、1個Flash（2M，用以存放啟動代碼）。同時，系統的硬件設計通過5大模塊來實現，即①溫度采集模塊，可實現24個回路的溫度數據采集；②控制執行模塊，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，Internet的接入可支持DM9161（IEEESO2.3標準）來實現；④溫度顯示電路模塊，可通過USB接口來接入U盤；⑤電源模塊。

3 系統的軟件設計

3.1 數據采集模塊的設計

數據采集模塊中運用了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。設計時應先初始化SPI模塊中的各個寄存器，對于SPI接收數據寄存器中的數據進行及時讀取。而后，依據現場情況對數據進行顯示、反饋控制、存儲等操作，為后續觀察分析做好準備。

3.2 USB通道模塊的軟件設計

本系統的USB通道模塊以FATI6為核心，其具有2G的最大分區支持、32KB的分區簇，同時文件系統中采集的數據可實現轉移，進而方便在計算機上實現統一管理。此外，USB設備配置的實現可通過Linux API功能函數控制來完成，如獲取設備的數據傳輸通道；對USB設備特有的設備描述符進行讀取與解析等。設計者在設計以FATI6為主的USB通道模塊系統時，需要重視文件名的作用，文件存放的起始簇號、目錄項、文件扇區號都需要根據文件名來獲得，進而最終實現U盤對文件的讀寫操作。

3.3 基于Qt/Embedded圖形用戶界面設計

本系統的圖形用戶界面設計的開發平臺以面向嵌入式系統的Qt/Embedded版本為主，使用FrameBuffer為GAL層的技術支持，利于構建一個多平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。基于Qt/Embedded設計的圖形用戶界面可支持多個GUI臺的交互開發及支持所有的UNIX系統，并具有較好的擴展性、可移植性。在主窗口的創建過程中，首先應基于main.cpp函數來創建QApplication類型的對象，定義主窗口的變量，明確QApplication類管理圖形用戶界面應用程序的控制流和主要設置，并運用QAPPIication類型的函數調用主窗口變量來啟動主窗口。如圖2，是基于Qt/Embedded圖形用戶界面設計的主監控界面。

4 實驗結果

為消除焊縫周圍的內應力，在實驗開始需進行熱處理，采用4-9厘米壁厚的鋼管進行前后的焊接。本系統的試驗具體分為3個步驟，即為升溫、降溫、保溫，本次實驗結果只是針對第一路長度為1米的碳鋼管道熱處理情況，該路要求升溫速率、保溫溫度、保溫時間、降溫速率保持在200℃/h、650℃、30分鐘、198℃/h。具體的實驗結果分析如下，在實驗進入到6-9分鐘的時候，實際溫度維持在環境溫度范圍內，設置溫度的增加并未引起受熱體溫度與恒速率的上升，溫控系統存在時滯現象，這是受制于構件熱容量大所導致的控制系統因慣性大而引起容量延遲。當試驗進入到10-19分鐘的時候，實際溫度升高，實際溫升速率加快，系統試驗穩定情況在20分鐘以后，實際溫度呈現恒速率的升溫。

[參考文獻]

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