嵌入式系统设计报告综述

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1、目录目录 第一章 设计任务说明1 第二章 系统方案设计2 2.1 温度传感器的选型.3 2.2 流量传感器的选型.5 2.3 步进电机及其驱动芯片的选型.8 2.3.1 步进电机选型.8 2.3.2 步进电机驱动芯片选型.9 2.4 混水阀选型.10 2.5 CPU 选型.11 2.6 系统整体结构示意图和设计原理.12 第三章 硬件设计13 3.1 按键与显示电路.13 3.2 温度与流量检测电路.14 3.3 步进电机驱动及控制电路.15 第四章 软件设计16 4.1 控制器外观设计以及按键、显示程序流程.16 4.2 温度检测方法及程序流程.17 4.3 流量检测方法及程序流程.18 4

2、.4 步进电机的控制算法及程序流程.19 4.5 系统软件流程.21 4.6 应用子程序代码.22 附录：实验报告28 第一章第一章 设计任务说明设计任务说明 有一浴池，需要实现水温自动控制和用水量自动检测，要求水温的给定温 度可以由操作面板上的按键输入，也可以由远程计算机串行传送输入。显示温 度精确到小数点后一位。用水量单位为立方米，显示到小数点后两位。供水方 式是把热水管路与冷水管路同时进入混水器，通过调节混水器旋钮的角度来实 现温度控制。当给定标准温度值后，要求实际水温控制在标准值的。设计0.5 要求如下： 一、设计一个可行的控制系统方案，包括： 1、检测方法设计，传感器的选型与安装方式

3、及位置； 2、控制方法设计，调节器的选型与安装方式及位置； 3、单片机控制器与传感器、调节器的联接方式与安装位置； 4、画出方案示意图，并写出设计原理说明。包括传感器、调节器的基本参 数说明。 二、单片机控制器的硬件部分设计 5、设计检测电路、驱动控制电路； 6、设计键盘和显示电路； 7、设计并画出单片机控制器的外形设计图； 8、设计并画出单片机应用系统硬件系统原理图； 9、写出设计说明。 三、单片机控制器软件部分设计 a)确定水温、流量的检测方法并画出流程图； b)设计调节器的控制方法并画出流程图； c)设计操作面板功能及键盘、显示的流程图； d)设计并画出系统应用软件的流程图； e)编写一

4、个应用子程序； f)写出设计说明。 嵌入式单片机应用系统 浴池水温控制系统设计 第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 该浴池水温控制系统的系统框图如图 2.1 所示，其工作过程是：由按键输 入设定温度值，温度传感器检测浴池内的水温，通过对混水器步进电机转角的 控制来调节热水与冷水的比例，使浴池水温调整到设定温度值；流量传感器检 测流入浴池的水量；此外，系统的显示模块能够显示设定温度，当前温度，以 及当前用水量。 PIC16F877 按键 温度检测 流量检测 LED数码管 显示 步进电机驱 动模块 步进电机 图 2.1 浴池水温控制系统框图 2.1 温度传感器的选型温度传感器的选型 温度传感器

5、主要有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)和集成温度传感器（IC）。IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两 种类型。如表 2.1。 热电偶由于其较高的性价比，应用很广泛。热电偶有多种类型，它们覆盖 非常宽的温度范围，从-2002000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、 中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电 偶需要外部参考端。 RTD 精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它 们的最高工作温度只能达到 400左右。它们也有很大的 TC，且价格昂贵(是热 电偶的 410 倍)，并且需要一个外部参考源。 模拟输出 IC

6、温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或 ADC 可产生数字输出)、低成本、高精度(大约 1%)、小尺寸和高分辨率。它们的 不足之处在于温度范围有限(-55150)，并且需要一个外部参考源。 数字输出 IC 温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢 (100 ms 数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转 换模式使其在需要测量之前将 IC 设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。 与热敏电阻、RTD 和热电偶传感器相比，IC 温度传感器具有很高的线性， 低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有 用的范围内进行温度测量

7、。 表 2.1：不同类型温度传感器的比较 嵌入式单片机应用系统 浴池水温控制系统设计 本设计选用 AD 公司生产的专用集成温度传感器 AD590。它属于电流输出 型。在一定温度范围内，它相当于一个高阻电流源，其电流温度灵敏度。1/AC 它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声等的干扰。此外它还具有体积小、测 量精度高、线性好和互换性强等优点，其主要技术指标为： i.测量范围：；55150CC 至+ ii.电流输出（标定系数）：;1/A K iii.电源电压：;430V iv.线性度：在满量程范围内小于;0.5 C v.重复性：；0.1 C vi.输出阻抗：约为；10 vii.长期漂移：；0.1/C

8、 月 2.2 流量传感器的选型流量传感器的选型 根据测量原理的不同，流量传感器可分为热式流量传感器和非热式流量传 感器两大类。热式流量传感器主要依靠传感器与流体间的热相互作用来进行测 量。该类传感器由于易采用半导体工艺制造，具有体积小、成本低、可以批量 生产，同时能与处理电路集成在同一芯片上，使传感器的输出直接实现数字化， 易于与计算机接口等优点。但热流量传感器也存在一定的不足，如反应时间较 长、功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度的漂移等问题；对 流体加热，也限制了热式微流量传感器在生物技术方面的应用。 非热式流量传感器是利用其他的物理方式来实现对流体的测量。它把流速 的信息转化

9、为力或压强或物体的旋转，再检测由此带来的物体的形变或电学性 能的变化，利用一定的对应关系，反过来测出流速的大小。和热式流量传感器 相比，它有功耗小，无零点漂移、测量方式多样，检出电路简单，响应时间短 等优点。其缺点主要体现在难以实现二维或三维方向的测量，难以兼顾全量程 范围内的灵敏度，制造过程难以与标准CMOS 工艺兼容等。尽管如此，在大量不 需感知流向的流速测量应用中，该类传感具有广阔的应用前景。在这一类非热 传感器中，风轮式结构是最广泛应用的一种，如传统的风杯等。 显然，热式流量传感器不适用于本设计，所以应选择非热式流量传感器。 非热式流量传感器的测量原理有：流体粘滞力测量，声学测量，光学

10、测量，电 磁测量，浮子测量以及机械转子（叶轮）测量等。综合比较各种类型的非热式 流量传感器的性能与价格之后，本设计选用上海自仪九仪表有限公司生产的 LWGY25C0A5T0型涡轮流量传感器，其技术性能如下： 1. 测量介质：液体； 2. 介质粘度范围：;5mPa sA 3. 流体温度：；20 120 C 4. 环境温度：；25 55 C 5. 相对湿度：；80% 6. 接触流体的零件材料：壳体、导向件：1Cr18NiTi 嵌入式单片机应用系统 浴池水温控制系统设计 叶轮：不锈钢 2Cr13 轴、轴承：硬质合金轴+轴承 7. 安装方式：安装于水平管道； 8. 连接方式：非密封的管螺纹连接； 9.

11、 电源与输出信号：前置放大器输出的脉冲信号，高电平4.5V以上，低电 平0.5V 以下，占空比；50 10% 10.公称直径：25mm； 11.流量范围（）：，误差限为； 3 /mh1.6 100.2% 12.公称压力：。1.6PNMPa ：涡轮流量传感器的基本结构： 如图2.2所示，涡轮流量传感器由壳体、前导向架、轴、叶轮、后导向架、 压紧圈和带磁电感应转换器的放大器等组成。 前导向架和后导向架安装在壳体中，轴安装在导向架上，同时因导向架上有几 片呈辐射形的整流片，还可以起一定的整流作用，使流体基本上沿着平行于轴 线的方向流动；前、后导向架是用压紧圈固定在壳体上的。 叶轮中有轴承，套在轴上，

12、可以灵活地旋转。叶轮上均匀分布着叶片，液体流 过时冲击叶片使叶轮产生转动。 图 2.2 涡轮流量传感器的结构示意图 ：涡轮流量传感器的工作原理： 当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转， 周期性地改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发 生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比， 即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流 量和总量的显示或积算，如图2.3和图2.4。 在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比 值称为仪表常数，以表示。每台传感器都经过实际标定测得仪表常

13、数值。()次/L 当测出脉冲信号的频率f和某一段时间内的脉冲总数N后，分别除以仪表常数 便可求得瞬时流量和累积流量。即：()次/L( /s)q LQ （L） （1）/qf （2）/QN 图 2.3 前置放大器的内部电路图 图 2.4 前置放大器的接线端子图 嵌入式单片机应用系统 浴池水温控制系统设计 2.3 步进电机及其驱动芯片的选型步进电机及其驱动芯片的选型 2.3.12.3.1 步进电机选型步进电机选型 步进电机分类： 1）按步进电机输出扭矩的大小，可分为快速步进电机与功率步进电机； 2）按励磁相数，可分为二相、三相、四相、五相甚至八相； 3）按其运动方式，分旋转式、直线式、平面运动式和滚

14、切运动式； 4）按结构，可分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式； 5）按工作原理，可分为反应式、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式） 步进电机，其中反应式和混合式步进电机比较常用。 永磁式式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪 声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相 励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相： 两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。 本设

15、计选用北京前苏电子科技公司的 42HS003 型两相混合式步进电机，其性能 参数如表 2.5，其静转矩为 0.45Nm，可以直接用于驱动混水阀转子，其转矩满 足家用自来水水压条件下直径 25mm 的水管混水要求。 图 2.5 42HS003 型步进电机性能参数 2.3.22.3.2 步进电机驱动芯片选型步进电机驱动芯片选型 本设计选用 ST 公司生产的 L298 型步进电机驱动芯片。L298 是一种高电 压、大电流电机驱动芯片，该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压 可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以来

16、驱动直流电机和步进电机、继电 器、线圈等感性负载；采用标准 TTL 逻辑电平信号控制；具有两个使能控制 器，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入 端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈 给控制电路。L298 有两种封装，如图 2.6。 嵌入式单片机应用系统 浴池水温控制系统设计 图 2.6 L298 两种封装形式的管脚图 2.4 混水阀选型混水阀选型 由于市场上没有采用步进电机驱动的混水阀，因此需要设计或组装一个。 可以购买混水阀的主要配件，如阀体和阀芯（如图 2.7）以及相关密封件，然 后采用机械连接的方式或者用联轴器将步进电机转轴与阀芯转子连接起来，从 而组成一