基于ARM的温度控制系统的设计.

基于ARM的温度控制系统的设计

摘要：本文设计了一种温度控制系统，它基于三星公司生产的ARM7内核的S3C44B0，以Pt100热电阻采集温度信号，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；通过调整脉宽调制的占空比，控制加热电路继电器的通断时间，实现温度的闭环控制。文章介绍了该系统的构成原理，实现流程，并重点介绍了PID自整定算法的原理和实现，给出了部分应用电路。此温度控制系统应用于热电仪，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；温度控制；PID；自整定

Abstract: A temperature control system is designed, which is based on the S3C44B0 of the Advanced RISC Machine (ARM) produced by the Samsung. Using Pt100 to measure the temperature, the real value is gotten through RWB temperature converter and A/D transformation and displayed by LCD meanwhile. The system is under the closed loop control with the heating circuit relay’s opening or closure which is decided by the PWM. The system component principle and the flow realization is introduced, some application circuit is provided, emphasize the PID self-turning theory and method. The temperature control system is designed for the thermoelectricity instrument. The experimental results show that it is safe and reliable, and meet the demand of the thermoelectricity instrument.

Key words: advanced RISC machine; PID; temperature control; self-turning

1 引言

处在温差条件下的矿物，对外表现为温差热电势E，温差一定时，E达到一平衡值。E除以温差得到的就是矿物的热电系数，它能够灵敏的反映矿物成分和晶

体结构的某些细微差异，在金矿找矿和矿床评价方面具有极高的应用价值。用来测量矿物热电性的热电系数测量仪（热电仪），在市场上并没有现成的产品，需要根据需求自行开发。其中一项关键技术就是将温度精确控制在设定值，为半导体矿物创造恒定的温差条件。本文所设计的温度控制系统就是来解决这一问题。

温度控制系统是一种典型的过程控制，与其它控制系统相比，温度控制系统有其特殊性[1]。例如，对机械系统或机电系统，用线性定常集中参数的动力学微

分方程来描述，通常不会带来过大的误差。然而用同样的方法来处理温度过程显然不能令人满意，因为热能的传递是以场的方式进行的，所以它具有明显的非线性、时变性、分布性以及时间滞后。若用解析的方法为它建模，其结果不

是过于复杂，就是在模型简化过程中，失去某些最本质的因素，使模型和对象间产生过大的偏差。因此，对温度系统的建模，通常用经验建模，或经验与理论分析相结合的建模。

本文介绍的温度控制系统，通过改进的PID控制算法，结合硬件ARM7内核的S3C44B0微处理器，由传感器PT100获取温度信号，通过自整定获取最适合系统的实时控制参数，实现对所需温度的精确控制。系统包括电加热器、控制器和温度传感器及变换器三部分，构成闭环控制回路。这种主动热控制的特点在于可适时调节被控对象的热传递效率，对外部变化反应灵敏，温度调节精度高。

2 系统设计

2.1 总体设计

该温度控制系统要求实现对设定温度的实时控制，操作人员可以通过键盘设定目标控制温度，通过单片机的逻辑程序控制，实现温度的高精度控制。整个控制系统的组成主要分为三部分，即三星公司生产的S3C44B0X单片机所构成的单片机控制系统；由Pt100热电阻、温度补偿，运算放大电路构成的温度检测通道；由三极管运放电路、固态继电器和外部加热器构成的输出控制通道。其中，单片机控制系统是整个系统的控制中心，所有的数据运算、处理和交换功能都是利用单片机的软件来实现。

工作时，设定温度由操作人员通过键盘完成，并通过LCD显示设定温度值；由Pt100热电阻检测控制对象实际温度值，经过RWB温度变送器和放大电路，将温度信号送入S3C44B0的A/D端口，经过固定公式换算得出实际温度并实时显示。程序控制系统将实际温度值与系统设定温度值进行比较，按照自整定PID 控制算法进行运算，确定下一时间单元输出PWM信号占空比，以控制固态继电器的导通时间，从而控制外部加热器的平均输出功率，实现温度控制。图1是系统的整体设计方案。

图1 温控系统原理

图

图2 控制系统电源电路

2.2 S3C44B0X片上资源 [2]

S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI内核的32位RISC结构的CPU，是一款高性价比微处理器。其丰富的片上资源充分保证了本系统的实现：2.5V供电的ARM7TDMI内核上增加8kB的Cache；外部扩充存储器控制器

（FP/EDO/SDRAM控制，片选逻辑）；LCD控制器（最大支持256色的DSTN）并带有一个LCD专用DMA通道； 2个带有握手协议的UART，1个SIO； 5个PWM 定时器及1个内部定时器；看门狗定时器；71个通用可编程I/O口，8个外部中断源；多种功耗控制模式；8路10 位ADC； PLL时钟发生器等。