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[嵌入式/ARM] 半导体培养箱的ARM嵌入式控制系统研制

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admin 发表于 2013-3-21 00:15:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘  要: 针对传统培养箱加热制冷器件能耗高、体积大且温控精度不高的特点,应用热电半导体对培养箱的温度进行调节。采用ARM920T架构的S3C2440AL处理器并配合外围设备,在Linux嵌入式操作系统上进行核心程序研发,并加入模糊自适应PID算法,以实现对培养箱温度的精确控制。试验结果表明,该培养箱的控温相对误差达到±1.1%。
关键词: ARM; Linux; 模糊PID; 热电半导体
       生物培养箱作为一种广泛应用于生物、农林等学科的实验设备,其传统的加热制冷方式具有噪音大、温控调节精度不高且污染环境等缺点。对此本文设计了一款利用半导体材料作为温控元件的生物培养箱。在此设计中,一方面采用新型半导体热电转换技术,通过半导体材料的三种形式将热能和电能进行直接转换,以实现温度调节,并辅以湿度、光照的调节;另一方面采用ARM9处理器作为硬件平台,移植开源的Linux操作系统,并研发了模糊PID控制系统。不仅减小了噪音,还降低了产品的成本,且具有控制速度快、精度高及性能稳定等特点,为培养箱的设计提供了一种新的思路。
1 半导体培养箱的硬件设计
     该培养箱的硬件部分由信号采集模块、核心处理模块和控制模块组成,其中信号采集模块又分温度、湿度采集。温度采集是采用单总线数字温度传感器DS18B20,微处理器依据其器件寄存器内置序列号对所匹配的传感器进行读取,以此实现多点分布式应用;湿度采集是采用湿度传感器SHT11,微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11通信以完成湿度信号采集。核心处理模块采用基于ARM920T 架构的S3C2440AL处理器为CPU的核心板,负责完成数据的运算与扩展外围通信接口、USB接口、扩展接口、多媒体接口等硬件资源,且该核心板还具有支持触屏控制等功能。控制模块以继电器电路为主体,核心处理模块输出的控制信号,经继电器电路接执行元件,实现对热电半导体、超声波加湿、T4灯等工作状态控制。本培养箱的硬件结构如图1所示。
   
   1.1信号采集模块
     信号采集模块的功能采用上述DS18B20芯片和SHT11芯片来分别采集培养箱内的温度和湿度。DS18B20由美国DALLAS公司生产,具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、器件唯一编码、支持分布式寻址等功能,适用于各类温度测控系统。其内部有控制电路、64 bit光刻ROM和温度转换器等。收发提供9~12 bit可编程设备温度读数。电压范围为3.0 V~5.5 V,测量温度范围为-55℃~125℃,-10℃~85℃范围内精度为±0.5℃。通过软件修正可达±0.062 5℃。本设计采取由数据线寄生电源供电,在培养箱内设置有2个DS18B20以进行多点检测,并通过计算此2点的温度平均值作为箱内的温度检测值[8]。
*滑块验证:
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