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1、-电气工程与自动化学院课程设计报告嵌入式技术实践题 目：基于LPC1114和铂电阻水温闭环控制系统专业班级：学 号：学生*：指导教师： 2012年 7 月 4 日. z-摘 要随着现代化技术的逐渐开展，在很多行业如医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备应用时，都会涉及到高温，高精度等特性，而一般的温度计无法满足。为了满足现代行业的开展，实现高精度的水温控制，本文重点介绍了一种以LPC1114为控制核心、铂热电阻pt1000为测温原件、以PID为算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、控制算法确实定、各部份电路及软件的设计。LPC1
2、114拥有完善的内部构造、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统：电路构造简单、程序简短、系统可靠性高等特点。该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块即温度采样模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。设计采样使用的是M0特有的AD采样功能，显示模块以TinyHMI为核心，固态继电器控制电加热，超级恒温器为对象的控制。关键词：LPC1114；Pt1000；PID；水温闭环控制；滤波
3、器. z-摘要2第一章绪论21.1 课题背景及方向21.2 课题的分析31.3 课题概述41.4 设计要求与技术指标41.5 根本功能与扩展功能5第二章方案的选取52.1 方案设计思路52.2 MCU的选择62.3 温度自控的方法6第三章系统软硬件总体设计93.1 总体设计及框图93.2 外部电路设计103.2.1 温度传感器采集转换电路103.2.2 低通滤波电路143.2.3 水箱控制电路153.2.4 键盘设和显示电路163.3 LPC1114介绍173.4 电源原理图203.5 A/D转换213.6 设计软件介绍223.6.1 Altium Designer 09223.6.2 PCB
4、的绘制过程223.7 软件环境23第四章系统实现244.1 各硬件模块功能244.2 硬件实现244.2.1 PCB板的设计规则24硬件调试244.3 软件实现264.3.1 软件框图264.3.2 系统代码26致谢35附录36参考文献37第一章 绪 论1.1 课题背景及方向自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛开展，以及自动控制理论和设计方法开展的推动下，国外温度控制系统开展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及
5、仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速开展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体开展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个
6、非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反响、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产平安，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速开展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用*围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文主
7、要介绍Corte*-M0温度控制系统的软件设计过程，其中涉及系统构造设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取N*P公司提供的一款新产品Corte*-M0系列的LPC1114F芯片作为该控制系统的核心。温度信号由PT1000和电压放大电路提供。通过PID算法实现对电炉功率和水温控制。使用SSR固态继电器作执行部件。系统控制对象为超级恒温器。水温可以在一定*围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度根本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。因此系统控制局部程序设计在T
8、KStudio集成开发环境中编辑、编译、调试以及仿真的。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性，防止了因个人设计经历缺乏而产生过多的系统缺陷。1.2 课题的分析 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速开展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体开展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于
9、控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。随着嵌入式系统开发技术的快速开展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用*围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。1.3 课题概述本文主要介绍LPC1100温度控制系统的设计过程，其中涉及系统构造设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以LPC1114为CPU，温度信号
10、由Pt1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器LM358将温度-电压信号进展放大，用LPC1100控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为精细水温箱。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度根本不变，具有较好的快速性与较小的超调性。1.4 设计要求与技术指标设计要求：设计一个水温自动控制闭环系统，控制对象为精细水温箱，里面有加热制冷功能。水温可以停留在用户设定的点，并能在环境温度改变时实现自动调整，以保持设定的温度根本不变，并且在系统运行时，用户可以设定温度值。系统设计具体要求：(1) 温度设定*围为0100。 (2) 采集温度与实际温
11、度误差0.5。(3) 采用适当的控制方法，使得水温可以稳定在设置温度而不上下浮动。(4) 用十进制数码管显示水的实际温度与设定温度。(5) 在设定温度发生突变时，温度能到达指定温度并维持指定温度。(6) 波纹0.1。1.5 根本功能与扩展功能根本功能： 利用Pt1000作为温度传感器，把温度的模拟信号转化为数字电信号。 水箱通过加热制冷稳定在设置温度。 TinyHMI稳定显示当前水温与设定温度。 用户可以通过人机界面调节温度的大小*围0100，并可以通过加热器件改变水的温度。扩展功能： 使用PID控制温度的变化 使用软件滤波与硬件滤波实现采集的温度稳定。 使温度的精度准确到0.1第二章 方案的
12、选取2.1 方案设计思路水温控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成局部。过程控制系统的组成局部有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图2-1所示 图2-1 控制框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个局部。除此之外，根据题目要求，还要选取适宜的控制算法来到达系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在局部电路设计中有说明。在这个局部我主要是对控制器确实定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两局部是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。2.2 MCU的选择方法一：Corte*-L
13、PC1114Corte*-M0处理器，是市场上现有的最小，能耗最低的ARM处理器。其处理能耗非常低。门数量少，代码密度高，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价格，获得32位处理器的处理性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及MCU应用中，可见明显节约系统本钱。方法二：P89V51RD2单片机P89V51RD2单片机是一款增强型8051微控制器，包含16KB Flash和1204字节的数据RAM。P89V51RD2单片机的典型特性是它的*2方式选项。利用该特性，设计师可使用应用程序以传统的8051时钟频率每个机器周期包含12个时钟或*2方式每个机器周期包含6个时钟的时钟频率运行
14、，选择*2方式可在一样的时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰。在系统编程ISP中Flash程序存储器支持和串行。并行编程方式提供了高速的分组编程方式，可节省编程本钱和上市时间。ISP允许在软件控制下对成品中的器件进展重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了ISP的*围应用。最终确立：将两个方案一比拟便可得出一个结论，单片机和LPC1114都具有其优势。但是MO自带AD采样功能，而单片机没有此功能，考虑到使用单片需要另外设计AD转换电路，还有节约本钱考虑使用LPC1100是必然的选择。2.3 温度自控的方法温度是一个普通而
15、又重要的物理量，在许多领域里人们需对温度进展测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进展了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进展分析以便选择适合的控制方法应用于改造。(1)常规PIDPID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有构造简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为根底改良的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID构造，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技兴旺的日本，PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图2-2所。由图可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是
