基于嵌入式技术的模拟人居环境老化试验装置的研制

摘要

在环保意识越来越深入人心的今天，越来越多的人开始关注室内空气污染问题，而且人们对室内空气质量的要求也越来越高。室内空气污染的一个重要来源(甚至是主要来源)就是室内广泛使用的涂料、油漆、皮革以及各式各样的塑料和橡胶制品释放出来的可挥发性物质。关于这些合成材料对室内空气质量的影响是目前的一个研究热点。本文设计的模拟人居环境老化试验装置就是用于这项研究或同类检测的专用设备。 本文以嵌入式技术为核心，详细阐述了该模拟装置的设计过程。首先对环境测试设备和嵌入式系统作了简要介绍和概述，并介绍了课题的背景及来源，阐明了课题的主要工作。接着从硬件、程序、人机界面、控制算法四个方面详细阐述了整个设计过程。最后对课题的工作进行了总结，并指出了存在的缺陷和不足。 围绕硬件电路设计，本文介绍了装置的技术指标，中央控制器件、执行单元和传感器的选型，中央控制模块的电路设计以及PWM信号发生模块与驱动模块的耦合隔离电路，并给出了中央控制模块和耦合隔离电路的原理图。 关于程序设计，重点阐述了一种多任务调度方案的设计以及基于单总线的温度测量和基于I2C总线的湿度测量的实现，另外简要介绍了中央控制模块与PWM信号发生模块的通信以及PWM信号发生模块的程序设计。 人机界面方面，重点介绍了对图片数据进行压缩编码的方法。 关于控制算法，本文介绍了PID控制的原理和数字PID控制算法，并对数字PID算法进行了多项改进，还介绍了将温度控制和湿度控制进行综合的算法。 设计完成之后的实际运行测试和实测数据表明，本文设计的控制系统和控制算法满足该装置的技术指标要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1环境试验设备简介

1.2老化试验装置及老化试验方法的现状

1.3嵌入式系统概述

1.3.1嵌入式系统的定义

1.3.2嵌入式系统的特征

1.3.3嵌入式系统的分类

1.3.4嵌入式系统的应用领域

1.3.5嵌入式系统的发展趋势

1.4课题背景

1.5课题来源

1.6论文主要工作

1.7章节安排

第二章硬件电路设计

2.1功能要求和技术指标

2.2温湿度调节方式的确定及装置结构简介

2.3硬件电路的组成

2.3.1中央控制模块

2.3.2 PWM信号发生模块和驱动模块

2.3.3执行单元的器件选型

2.3.4传感器选型

2.3.5键盘电路

2.4本章小结

第三章程序设计

3.1中央控制模块的功能

3.2实现多参数实时监测和控制的方案

3.2.1 RTOS的任务切换机制

3.2.2非抢先式任务调度方案的设计

3.3温度测量

3.3.1 DS18B20的特点

3.3.2 DS18B20的单总线协议

3.3.3 MCU与DS18B20通信程序设计

3.3.4获取各个DS18B20的序列号

3.3.5搜索DS18B20

3.4湿度测量

3.4.1 ADS1100的特点

3.4.2 I2C总线协议

3.4.3 MCU与ADS1100通信程序设计

3.5输出量数据的传送

3.5.1异步串行通信

3.5.2中央控制模块与PWM信号发生模块的通信协议

3.6 PWM信号发生模块

3.7本章小结

第四章人机界面设计

4.1下位机人机界面设计

4.1.1显示界面

4.1.2键盘

4.2上位机程序界面设计

4.3本章小结

第五章温湿度控制算法

5.1 PID控制原理

5.2数字系统中的PID控制

5.2.1采样周期

5.2.2数字滤波

5.2.3数字PID控制算法

5.3数字PID算法的改进

5.3.1对积分项的改进

5.3.2对微分项的改进

5.3.3对控制常量uo的改进

5.4温湿度联合控制

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢