嵌入式系统设计报告综述.docx

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嵌入式系统设计报告综述

附录：

实验报告…………………………………………………………………………………..28

第一章设计任务说明

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）编写一个应用子程序；

f）写出设计说明。

第二章系统方案设计

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。

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-200℃～2000℃。

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4～10倍），并且需要一个外部参考源。

模拟输出IC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（-55℃～＋150℃），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（100ms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。

表2.1：

不同类型温度传感器的比较

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

。

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：

；

ii.电流输出（标定系数）：

;

iii.电源电压：

;

iv.线性度：

在满量程范围内小于

;

v.重复性：

；

vi.输出阻抗：

约为

；

vii.长期漂移：

；

2.2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：

;

3.流体温度：

；

4.环境温度：

；

5.相对湿度：

；

6.接触流体的零件材料：

壳体、导向件：

1Cr18NiTi

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.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

；

10.公称直径：

25mm；

11.流量范围（

）：

，误差限为

；

12.公称压力：

。

：

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，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数值。

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：

（1）

（2）

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

2.3步进电机及其驱动芯片的选型

2.3.1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2.542HS003型步进电机性能参数

2.3.2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。

图2.6L298两种封装形式的管脚图

2.4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，从而组成一个用步进电机驱动的混水阀。

图2.7混水阀的阀体和阀芯

2.5CPU选型

因为本人对PIC16F87X型单片机比较熟悉，故选用Microchip公司的PIC16F877型单片机作为系统的控制芯片，如图2.8.

图2.8PIC16F877的管脚图

单片机的主要性能：

1）采用高性能RISC；

2）仅有35条单字指令，除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令；

3）运行速度：

DC-20MHz时钟输入，DC-200ns指令周期；

4）8K*14个FLASH程序存储器，368*8个数据存储器字节，256*8EEPROM数据存储字节；

5）14个中断源；

6）低功耗：

在5V,4MHz时典型值小于2mA；在3V,32KHz时典型值小于

；典型的稳态电流值小于

。

7）具有10位的内部ADC模块。

2.6系统整体结构示意图和设计原理

图2.9浴池水温控制系统整体结构示意图

设计原理说明：

按键、LED指示灯和数码管显示部分是系统的人机接口模块。

按键用于设定浴池水温值或进行功能切换，LED指示灯指示当前工作状态，数码管显示用水量、浴池当前水温或设定温度。

AD590检测浴池的水温和，LWGY检测用水量，两个传感器的检测信号经PIC单片机处理后可由数码管显示。

此外，系统根据温度传感器的测量值与设定值之差，由单片机输出控制信号，经L298芯片转换后驱动步进电机调节混水器，使浴池水温到达设定值。

图2.10系统设计原理框图

第三章硬件设计

3.1按键与显示电路

该部分电路包括4个按键，命名为KEY1,KEY2,KEY3,KEY4；4位8段数码管显示，以及一个LED指示灯。

PIC单片机通过8155控制数码管的显示。

8155的B口和数码管中所有LED的a、b、c、d、e、f、g、DP引线相连，各个数码管的控制端和8155的C口相连，即B口为字形口，C口为字位口。

图3.1按键与显示电路

3.2温度与流量检测电路

系统选用的PIC16F877单片机内部包含10位的ADC模块，具有8路模拟信号输入通道，因此，不需要扩展外围ADC芯片。

图3.2温度与流量检测电路

3.3步进电机驱动及控制电路

该部分电路如图3.3所示，时钟电路的晶振频率为4MHz，复位电路选用常用的综合复位电路。

L298的4个输出端两两驱动步进电机的两个线圈，单片机的端口C产生步进电机所需要的脉冲信号和控制信号，RC0～RC3分别与L298芯片的INPUT1～INPUT4相连，脉冲信号由此端口进入驱动芯片。

图3.3基于L298的两相步进电机驱动电路

第四章软件设计

4.1控制器外观设计以及按键、显示程序流程

：

控制器外观设计

操作面板说明：

器件

名称

功能

按键

“复位”

使系统复位

按键

“ON/OFF”

系统电源开关

按键

“水温设定”

按一下进入温度设定，再按一下确认退出

按键

“显示切换”

使显示器显示水温或用水量

按键

“降温”

在“水温设定”状态下，按一下，降低一摄氏度

按键

“升温”

在“水温设定”状态下，按一下，升高一摄氏度

4位8段数码管

显示器

显示水温或用水量

LED

指示灯

亮：

表示当前显示数据为温度；

暗：

表示当前显示数据为用水量

：

按键与显示程序流程

图4.1按键与显示程序流程

4.2温度检测方法及程序流程

AD590属于电流输出型温度传感器，在

的温度范围内，它相当于一个高阻电流源，电流温度灵敏度

。

经10K欧电阻之后对应于0～100度温度范围的电压是2.732V～3.732V,经10位A/D转化后的测量精度满足0.1度的设计要求。

PIC16F877的端口A的RA0为温度传感器模拟量的输入引脚，A/D转换后的结果可由显示程序调用。

图4.2温度采集程序流程图

4.3流量检测方法及程序流程

LWGY25C0A5T0型涡轮流量传感器的输出为占空比为50%的脉冲，流量计算公式：

，其中

为传感器常数，传感器在出厂时该常数由厂家标定给出。

若用一个计数器记录脉冲数N，则任意时刻的用水量就可由上述公式求出。

图4.3流量检测程序流程

4.4步进电机的控制算法及程序流程

对混水器采用模糊控制方法。

模糊控制原理：

模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差

以及偏差的变化量

输出为步进电机的控制量——脉冲个数及频率。

将E分为四个模糊子集B（大），M（中），S（小），N（负），对应温度变差为：

。

分为三个模糊子集P（正），Z（零），N（负）。

对应的偏差变化量为：

；控制器输出的脉冲频率分为四个模糊子集B（快），M（中），S（慢），Z（零）。

模糊控制规则见表4.1。

模糊控制程序：

将系统本次测得的温度值与设定的温度值相减得到温度的偏差E，并存储到存储单元TMS，将本次测得温度减去前次测得的温度，得到温度变差的变化量

，将

存入存储单元TMCB。

根据E以及

可以制定模糊控制表。

例如将E的四个模糊子集N、S、M、B分别用数字-1、1、3、6表示，

的三个模糊子集N、Z、P分别用数字-1、0、1表示，则根据模糊控制规则表4.1，可以得到表4.2所示的判定函数

。

将表4.2与表4.1对比可以看出：

当

时，输出频率为Z；当

时，输出频率为S；当

时，输出频率为M，当

时，输出频率为B。

根据以上分析，可以编写模糊控制程序。

实际应用时，可根据控制效果制定适合的模糊控制规则，如增加模糊子集或改变相关模糊子集对应的数字等。

表4.1：

模糊控制规则表4.2

图4.4混水阀控制程序流程

4.5系统软件流程

系统采用前后台的软件结构，后台程序用于按键扫描，显示水温和用水量，在CPU空闲时间进行温度采集；前台程序即中断服务程序，利用T0产生周期为1s的定时中断，在中断周期内调节混水阀，使浴池温度趋近设定温度；利用RA1作为外部中断累计流量传感器脉冲数。

图4.5系统软件流程

4.6应用子程序代码

;***************************************************************************

步进电机的控制程序

;***********************************************************************

PCLEQU02H;定义PCL寄存器地址

STATUSEQU03H;定义状态寄存器地址

PORTCEQU07H;定义端口C的数据寄存器地址

PORTDEQU08H

TRISCEQU87H

TRISDEQU88H;定义端口D的方向寄存器

INTCONEQU0BH;定义INTCON控制寄存器

CCP1IFEQU2H

CCP1CONEQU17H

CCPR1LEQU0EH

CCPR1HEQU0FH

PIR1EQU0CH;定义第一外设中断标志寄存器

PIR2EQU0DH

TMR1LEQU0EH;定义TMR1L

TMR1HEQU0FH

ADRESHEQU1EH;定义ADRESH

ADCON0EQU1FH;定义数模转换器ADC的寄存器

PIE1EQU8CH;定义第一外设中断屏蔽寄存器

PIE2EQU8DH

ADCON1EQU9FH;定义数模转换器ADC的寄存器

T1CONEQU10H;定义TIMER1控制寄存器

RP1EQU06H

RP0EQU05H

ZEQU02H

CEQU00H

TMR1IFEQU00H

DATA1EQU20H;定义外循环变量

DATA2EQU21H;定义内循环变量

TEMPEQU22H

W_TEMPEQU25H

S_TEMPEQU26H

SCALEREQU27H

AD_STATUSEQU28H

SIGNEQU22H

SUNEQU24H

INDEXEQU25H

W_BUFEQU26H

VALUEEQU27H

NUMEQU28H

COUNT1EQU1AH;定义存储外循环次数的变量

COUNT2EQU0FFH;定义存储内循环次数的变量

;***************************主程序开始*********************************

ORG00H

NOP

GOTOMAIN

ORG04H;中断向量的地址为04H

GOTOINT;跳到中断子程序

;*****************************中断子程序开始****************************

INT

MOVWFW_TEMP;W寄存器的内容存储

SWAPFSTATUS,0;将STATUS寄存器中高低字节交换

MOVWFS_TEMP;交换后的结果存入S_TEMP

BCFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

BTFSCPIR1,TMR1IF;察看是否TMR1中断

GOTONEXT1

GOTONEXT2

NEXT1

BTFSCSIGN,0;察看SIGN的第0位是否为0

GOTONEXT3

BCFPORTC,2

NEXT3

COMFSIGN,1;SIGN取反

BCFPIR1,TMR1IF;清中断标志位

CLRFTMR1L;对TMR1重新输入值0F548H

MOVLW0F5H

MOVWFTMR1H

MOVLW48H

MOVWFTMR1L

NEXT2

SWAPFS_TEMP,0;中断前的STATUS的内容，重新装入

MOVWFSTATUS

SWAPFW_TEMP,1;中断前的W的内容重新装入

SWAPFW_TEMP,0

RETFIE

;*******************************中断子程序结束**************************

;********************************主程序开始*****************************

MAIN

CALLINITIAL;调初始化子程序

LOOP

CALLAAA;调用AAA输出子程序

NOP

S_0

BTFSSSIGN,0;SIGN为1，则转到S_1

GOTOS_0

S_1

BTFSCSIGN,0;SIGN为0，则转到LOOP

GOTOS_1

GOTOLOOP

;***************************************************************************

;***************************初始化子程序开始*********************************

INITIAL

BCFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

CLRFW_TEMP

CLRFW_BUF

CLRFSIGN

BSFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

BCFTRISC,2

BCFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

CLRFT1CON

MOVLW0F5H;将TMR1设为0F548H

MOVWFTMR1H

MOVLW048H

MOVWFTMR1L

CLRFINTCON;清中断标志

BSFINTCON,6;中断使能

BSFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

BSFPIE1,0;TMR1中断使能

BCFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

CLRFPIR1;清中断标志

BSFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

BSFT1CON,0;开TMR1

BCFSTATUS,RP0

BCFSTATUS,RP1

BSFINTCON,7

BCFPORTC,2

CLRFNUM

CLRFVALUE

CLRFNUM

CLRFINDEX

RETURN

;***************************初始化子程序结束*********************************

;***************************AAA输出