嵌入式控制系统及应用报告(改)(1)

1嵌入式控制系统及应用报告学院：自动化组员：陆佳伟912110200234冯博研912110200206石筱桐9121102003042目录一．室内温度调节系统概述------------------------------11.智能楼宇嵌入式概述--------------------------------------32.楼宇自动化控制系统结构---------------------------------33.系统流程图-----------------------------------------------------4二．室内温度调节系统硬件设计-------------------------51.实验元器件概述-----------------------------------------------5Stm32F10X------------------------------------------------------5LCD1602----------------------------------------------------------5L289N-------------------------------------------------------------6DS18B20---------------------------------------------------------6三．室内温度调节系统软件设计-------------------------71.stm32使用功能清单-----------------------------------------72.LCD模块--------------------------------------------------------113.PWM及L289n模块-----------------------------------------124.DS18B20模块-------------------------------------------------145.扩展模块-------------------------------------------------------14四．算法及系统仿真---------------------------------------151.史密斯数字算法及PID控制------------------------------152.Matlab仿真-------------------------------------------------173.Proteus设计图-----------------------------------------------18五．实验总结-------------------------------------------------19六．参考文献-------------------------------------------------203一、室内温度调节系统概述1.智能楼宇嵌入式概述所谓的智能楼宇是指通过楼宇自控系统，采用先进的计算机控制技术，管理软件和节能系统程序，使建筑物机电或建筑群内的设备有条不紊、综合协调、科学地运行，从而达有效地保证建筑物内有舒适的工作环境、实现节能、节省维护管理工作量和运行费用的目的。楼宇自动化系统负责完成大厦中的空调制冷系统、变配电系统、照明系统、供热系统及电梯等的计算机监控管理。楼宇自动化系统由计算机对各子系统进行监测、控制、记录，实现分散节能控制和集中科学管理，为大厦中的用户提供良好的工作环境，为大厦的管理者提供方便的管理手段，为大厦的经营者减少能耗并降低管理成本，为物业管理现代化提供物质基础。它的主要控制部件有：空调监控系统、变配电监控系统、照明监控系统、安全防范监控系统、出入门控制系统、背景音乐、消防广播系统等。从控制系统的体系结构来说，楼宇自动化系统常常采用分层控制结构，各子系统的控制器对子系统实施控制，中央控制器通过网络采集各子系统的信息，完成协调控制、监控等功能，与住户接触最多的莫过于空调系统，住户可以通过每个单元安装的控制面板设定室内温度，达到改善舒适度的目的。2.嵌入式温度控制子系统需求分析嵌入式温度控制子系统被广泛应用于供暖，火灾预警以及农业等各个方面，嵌入式温度控制子系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。大多数嵌入式系统具有实时性能，具有简洁快速的特点。系统源代码完全公开,不必考虑许可成本,将用户从许可证的限制中解脱出来,无需去为资金短缺而烦忧.嵌入式系统能正常运行于内存缺乏,容量紧张的系统中,减少在硬件升级上的开支.另外,在系统稳定性方面,稳定性是由于他没有像其他系统一样需要极其庞大的内核。在各个方面都显示嵌入式温度控制子系统在未来的生活工作中是不可或缺的一部分。43.嵌入式温度控制子系统流程图图1-1嵌入式温度控制原理图图1-2嵌入式温度控制子系统流程图5二、室内温度调节系统硬件设计1.实验元器件概述STM32F10X系列图2-1stm32f10x原理图优点：性价比高、配置丰富灵活、低功耗自带CAN接口模块，可直接调用库函数使用CAN通信TIM时钟可控制多个接口模块，高效元件使用接口及功能：PA0~3对应接口L289N-E0~3，作用是组成PWM的4个通道PA4~5对应接口L289N的IN1和IN3，作用是控制电机状态PA11对应接口CAN-RX，作用是接受CAN数据PA12对应接口CAN-TX，作用是传送CAN数据PB1对应接口LDS18B20的I/O，作用是与温度传感器通信PD0~7对应接口LCD-D0~7，作用是负责LCD数据通信PE2.4.6对应接口RS,RW和EN，作用是控制LCDPE8预留出来作为CAN的总线接口6LCD1602图2-3LCD1602原理图优点：价格低廉，常见易得可以在指定位置显示字符L289n图2-5L289n原理图7优点：可以利用PWM进行调速，即通过调节占空比进行电机调速，占空比越高转速越快DS18B20图2-7DS18B20原理图优点：DS18B20的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃减少了外部硬件电路，低成本，易使用支持“一线总线”接口，独特而且经济，使用户可轻松地组建传感器网络三、室内温度调节系统软件设计1.stm32使用功能清单端口状态功能对应接口PA0.1.2.3复用推挽输出PWM4通道PA0==L289n-EnPA4.5推挽输出控制电机状态PA4|5==L289n-IN1|IN3PA11上拉输入接受CAN数据CANRX接口PA12推挽输出传送CAN数据CANTX接口PA8推挽输出预留端口PB0开漏输出预留端口PB1开漏输出/上拉输入与温度传感器通信PB1==DS18B20-I/OPD0~7推挽输出LCD数据通信PD0~7==LCD-D0~78PE2.4.6推挽输出LCD控制PE2==RS|PE4==RW|PE6ENPE8上拉输入CAN总线接口预留初始化GPIO清单1.voidAll_GPIO_Config(void)2.voidCAN_GPIO_Config(void)3.voidIN_GPIOB1(void)|voidOUT_GPIOB1(void)图4-1APB1、2功能开启设置9图4-2GPIO口功能初始化图4-3GPIO-CAN功能初始化TIM2（PWM）、TIM3、CAN1定时器初始化10说明：1.TIM2设置4个通道作为PWM输出，通道一控制L289n，其余三个通道为预留通道，当需要加载扩展电机时使用。2.TIM3实现定时读取温度功能并中断控制LCD显示3.TIM2、TIM3、CAN1串行中断即TIM2中断清除TIM2中断位TIM3中断清除TIM3中断位CAN1中断依次类推。（根据频率设置执行）1.voidTIM2_Config(void)2.voidTIM3_Config(void)3.voidCAN_Configuration(void)图4-4TIM2、3功能初始化11图4-5CAN1功能初始化LCD模块1.voidWrite_LCD1602_Data(unsignedcharDate)//写入数据2.voidWrite_LCD1602_Com(unsignedcharCom)//写入位置3.voidInit_LCD1602(void)//LCD初始化12图4-6LCD写函数模块图4-7LCD初始化函数模块13DS18B20模块1.voidDS18B20_dsInit(void)//初始化DS18B202.unsignedcharreadByte(void)//读取一字节数据3.voidwriteByte(unsignedchardat)//写入一字节数据4.unsignedintgetTmpValue(void)//获取当前温度值图4-8DS18B20初始化函数模块图4-9DS18B20读命令函数模块图4-9DS18B20写命令函数模块14图4-10DS18B20读取温度值函数模块中断控制模块1.VoidPWM(void)//电机控制模块2.VoidLCD(void)//LCD显示模块3.VoidTemp(void)//温度读取模块4.voidTIM2_IRQHandler(void)//TIM2中断主程序5.voidTIM3_IRQHandler(void)//TIM3中断主程序6.intPID(void)//PID控制算法模块具体程序见stm32f10x_it.c文件四、算法及系统仿真1.史密斯数字算法及PID控制15数字Smith预估控制算式的推导许多工业对象的动态特性我们可用一阶惯性环节和纯滞后环节相串联表示即：0()()1ssKGSGSeeTS从而补偿器的传递函数为：0()(1)1sKGSeTS即：0()1KGSTS相应的微分方程为：0()()()dmtTmtKutdt(119)000000()(1)()()(1)()(1)()()(1)()mkmkTmkKukTTTmkmkKukTTTTKmkmkukTTTT可得其相应的差分方程：()(1)()mkamkbuk(120)式中000,TTKabTTTT所以：式（1-18）与式（1-20）就是数字Smith预估控制算式。16带有死区的PID控制算式在某些情况下，要求控制作用尽量平稳，避免执行机构动作过于频繁，常采用有死区的PID控制算式，框图如图4-1：图4-1图4-11有死区的PID控制算式框图相应的控制算式为：当0|e(k)|=|r(k)-y(k)|e时，P(k)=e(k)(1--14)当0|e(k)|=|r(k)-y(k)|e时,P(k)=0(1--15)该系统实质上是一种人为的非线性系统，只有当0|()|eke时，计算机才输出运算结果，在0|()|eke时无增量输出。2.Matlab仿真利用simulink搭建温度控制系统仿真平台如下图所示PID被控对象y(t)Y(S)Y(S)执行机构r(t)Y(S)—Y(S)17图4-12MATLAB仿真模块仿真结果如下：图4-13MATLAB仿真阶跃函数结果各项指标满足题目要求，因此用图示算法搭建系统理论上可行。3.Proteus设计图说明：Proteus仿真程序中没有模块带有CAN通信模块，上位机通信设置模块无法通过仿真实现，因此仿真没有太多的实际意义。由于proteus中没有L289n及STM32模块，因此在proteus上采用C51单片18机实现简单控制，proteus由于没有L289n因此暂不实现控制功能。图4-13Proteus仿真模块五、实验总结很幸运，由于之前我们做过一个简单的《WinCEC#TCP调试19