基于ARM单片机的温度控制系统的设计与实现

方双莲　李小力

摘 要：鉴于目前温度控制系统中使用的单片机存在诸多不足之处，为了完善温度控制系统的功能，本文将提出一种基于ARM单片机的温度控制系统的设计与实现。基于ARM单片机的温度控制系统具有AT9lRM9200微处理器、Red Hat Linux9.0平台、Qt/Embedded版本等的支持，因而可以确保基于ARM单片机的温度控制系统达到高可靠性、高动态性、高稳定性、高控制性的效果。

关键词：ARM；嵌入式；多回路；工业温度控制系统

当前，单片机是设计开发温度控制系统的常用芯片，用以实现温度控制的目的。不过，因单片机中的ROM与RAM存在空间小的局限，所以调试、运动较大程序具有一定困难，且还存在其他诸多不足之处。于是，为了完善温度控制系统的不足，本文将提出基于ARM单片机的温度控制系统的设计，在设计过程中运用32位RISC微处理器AT9lRM9200、极限环法自整定PID参数等来进行系统的设计开发。

1 系统设计

在基于AVR单片机的温度控制系统设计当中，嵌入了AT9lRM9200微处理器，从而实现了整个温度控制系统的通用性多路温度测控与实时温度测控。其中，该系统的硬件设计采用了ARM9这一高性能的处理器，并以各种信号转换芯片为主，而在软件设计中则采用嵌入式操作系统的应用程序设计为主。如图1是系统结构图，该系统的优点主要有2个：①满足较强通用性、可移植功能的硬、软件设计可以通过适当改动就能获得不同应用系统的支持；②系统的数据信息交互传输可以在较小以太网上利用串行通信接口来实现。

2 系统的硬件设计

系统的硬件设计主要以AT9lRM9200为核心，便于达到数据处理、通讯、存储等设计目的，扩展了2个SDRAM（32M，程序堆栈的设置与各种变量的存放均在SDRAM芯片中实现）、1个Flash（2M，用以存放启动代码）。同时，系统的硬件设计通过5大模块来实现，即①温度采集模块，可实现24个回路的温度数据采集；②控制执行模块，采用可控硅PWM来控制温度；③通讯电路模块，以RS-232串口连接通讯PC机，Internet的接入可支持DM9161（IEEESO2.3标准）来实现；④温度显示电路模块，可通过USB接口来接入U盘；⑤电源模块。

3 系统的软件设计

3.1 数据采集模块的设计

数据采集模块中运用了AT9lRM9200微处理器，有16K空间，以SPI串行通讯为接口，处理器自行分配的地址为0XFFFE0000—0XFFF3FFFF。设计时应先初始化SPI模块中的各个寄存器，对于SPI接收数据寄存器中的数据进行及时读取。而后，依据现场情况对数据进行显示、反馈控制、存储等操作，为后续观察分析做好准备。

3.2 USB通道模块的软件设计

本系统的USB通道模块以FATI6为核心，其具有2G的最大分区支持、32KB的分区簇，同时文件系统中采集的数据可实现转移，进而方便在计算机上实现统一管理。此外，USB设备配置的实现可通过Linux API功能函数控制来完成，如获取设备的数据传输通道；对USB设备特有的设备描述符进行读取与解析等。设计者在设计以FATI6为主的USB通道模块系统时，需要重视文件名的作用，文件存放的起始簇号、目录项、文件扇区号都需要根据文件名来获得，进而最终实现U盘对文件的读写操作。

3.3 基于Qt/Embedded图形用户界面设计

本系统的图形用户界面设计的开发平台以面向嵌入式系统的Qt/Embedded版本为主，使用FrameBuffer为GAL层的技术支持，利于构建一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架。基于Qt/Embedded设计的图形用户界面可支持多个GUI台的交互开发及支持所有的UNIX系统，并具有较好的扩展性、可移植性。在主窗口的创建过程中，首先应基于main.cpp函数来创建QApplication类型的对象，定义主窗口的变量，明确QApplication类管理图形用户界面应用程序的控制流和主要设置，并运用QAPPIication类型的函数调用主窗口变量来启动主窗口。如图2，是基于Qt/Embedded图形用户界面设计的主监控界面。

4 实验结果

为消除焊缝周围的内应力，在实验开始需进行热处理，采用4-9厘米壁厚的钢管进行前后的焊接。本系统的试验具体分为3个步骤，即为升温、降温、保温，本次实验结果只是针对第一路长度为1米的碳钢管道热处理情况，该路要求升温速率、保温温度、保温时间、降温速率保持在200℃/h、650℃、30分钟、198℃/h。具体的实验结果分析如下，在实验进入到6-9分钟的时候，实际温度维持在环境温度范围内，设置温度的增加并未引起受热体温度与恒速率的上升，温控系统存在时滞现象，这是受制于构件热容量大所导致的控制系统因惯性大而引起容量延迟。当试验进入到10-19分钟的时候，实际温度升高，实际温升速率加快，系统试验稳定情况在20分钟以后，实际温度呈现恒速率的升温。

[参考文献]

[1]夏发钦.基于单片机的精密温度控制系统的设计与实现[J].信息技术，2011（10）：133-135.

[2]李旭鹏，董燚，许建华，张超.基于单片机的智能温度控制系统设计[J].电子质量，2010（2）：17-19.