基于DSP與數字溫度傳感器的溫度控制系統

摘 要:傳統的溫度控制系統是以熱敏電阻為溫度傳感器件，輔以風冷或水冷來達到目的的，存在體積大，噪音大且精度有限的缺點。介紹了利用數字溫度傳感器(DS18B20)與DSP芯片(TMS320F2812)組成的溫度測量系統，結合模糊PID算法(Fuzzy-PID)，利用DSP的脈寬調制控制通過半導體制冷器的電流大小，達到溫度控制的效果，體積小且精度達到0.1 ℃。給出DSP與DS18B20的接線圖，并且介紹了利用CCS(代碼編輯工作室)進行軟件開發。該系統已經運用在LD溫度控制方面，取得了很好的效果。

關鍵詞:DSP; 溫度傳感器; 溫度控制; 模糊PID; 脈寬調制

中圖分類號:TP23 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0129-03

System of Temperature Control Based on DSP and Digital Temperature Sensor

XU Xing-jian1， YUAN Zi-jun1， ZHAO Yong-li2， GAO Feng1

(1. Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2. Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China)

Abstract: Traditional temperature control system took thermal resistance as the temperature sensor， combined with air-cooled or water to achieve the purpose， size large， noisy and the accuracy is limited. The temperature measurement system composed of digital temperature sensor(DS18B20) and the DSP(TMS320F2812)， the DSP pulse-width modulation is used to control the current of the TEC combined with fuzzy PID algorithm(Fuzzy-PID)， to achieve the effect of temperature control， small size and 0.1 accuracy. The wiring diagram of DSP and DS18B20， the use of CCS(code editing studio) for software development are introduced. The system has been used in the LD temperature control， and has gained very good results.

Keywords: DSP; temperature sensor; temperature control; fuzzy-PID; pulse width modulation

0 引 言

20世紀60年代以來，數字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)伴隨著計算機和通信技術得到飛速發展，應用領域也越來越廣泛。在溫度控制方面，尤其是固體激光器的溫度控制，受其工作環境和條件的影響，溫度的精度要求比較嚴格，之前國內外關于溫度控制基本上都采用溫度敏感電阻來測量溫度，然后用風冷或者水冷方式來達到溫度控制效果，精度不夠且體積大。本文基于DSP芯片TMS320F2812與數字溫度傳感器DS18B20設計出一個溫度測量系統，根據測量所得的溫度與設定的參量，并利用模糊PID算法計算出控制量，利用該控制量調節由DSP事件管理器產生PWM波的占空比，并作用于半導體制冷器，以達到溫度控制效果，實現控制精度高，體積小的溫度控制系統[1]。

1 系統硬件組成

1.1 DS18B20功能結構與使用

DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55~+125 ℃;可編程為9~12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5 ℃;CPU只需一根埠線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適合用于遠距離多點溫度檢測系統中。

DS18B20的管腳排列如圖1所示。DQ為數字信號輸人/輸出端;GND為接地;VDD為外接供電電源輸人端(在寄生電源接線方式時接地)。

DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供[2]，以0.062 5 ℃/LSB形式表達，其中S為符號位。例如+125 ℃的數字輸出為07DOH， +25.062 5 ℃的數字輸出為0191H， -25.062 5 ℃ 的數字輸出為FF6FH，-55 ℃的數字輸出為FC90H。

圖1 DS18B20的管腳排列

1.2 DSP介紹

這里所用DSP為TMS320F2812，它是美國TI公司新推出的低價位、高性能的16位定點DSP，是專為控制應用系統而設計的[3]，其主頻可達150 MHz，本系統中所用晶振為45 MHz，片內集成了外圍設備接口，主要起控制和計算作用。

1.3 半導體制冷器簡介

半導體制冷器是根據帕爾貼效應制成的，由兩種不同金屬組成一對熱電偶，當熱電偶邁入直流電流后因直流電通入的方向不同，將在熱電偶結點處產生吸熱和放熱現象。制冷器結構如圖2所示[4]。

把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連接片焊接成一個電偶對。當直流電流從N極流向P極時，上端產生吸熱現象，此端稱冷端，下端產生放熱現象，此端稱熱端，如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉換。

圖2 半導體制冷原理

1.4 硬件連接

DS18B20與DSP連接主要有兩種方式:寄生電源方式和外部供電方式。本文采用外部供電方式，其中18B20的DQ口與F2812的GPIOA0口連接，具體連接如圖3所示。

圖3 DS18B20與DSP連接圖

2 溫度測量

要進行溫度控制，首先要測量所控制目標的溫度值，在本系統中，具體使用數字溫度傳感器DS18B20與DSP結合，并利用CCS編寫程序，本系統開發平臺為CCS 2.2，前期安裝及芯片設置在此省略[5-6]，程序流程如圖4所示。

圖4 DS18B20程序流程

DS18B20的控制包括三種時序:復位、寫時序、讀時序[7]。

復位:主機總線在t0時刻發送一個復位脈沖(最短為480 μs的低電平信號)，接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態;DSl820在檢測到總線的上升沿之后等待15~60 μs，接著在t2時刻發出存在脈沖(低電平持續60~240 μs)。

寫時序:對于DS18B20的寫時序分為寫0時序和寫1時序兩個過程。寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，總線要被拉低至少60 μs，保證DS18B20能夠在15~45 μs之間正確地采樣I/O總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15 μs之內就得釋放單總線。寫數據持續時間應大于60 μs且小于120 μs，兩次寫操作時間間隔要大于1 μs。

讀時序:對于DS18B20的讀時序同樣分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從DSP把單總線拉低之后，在15 s之內就得釋放單總線，以便讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60 μs才能完成。

需要注意的是，在程序編寫時不管是復位，還是讀寫，都要注意配置GPIOA0端口的狀態(輸入或輸出)，同時時序非常重要，本文中的延時都是經過多次測試后總結出來的，根據DSP芯片的晶振不同，延時程序都會改變，否則DS18B20不會正常工作。

3 溫度控制

3.1 脈寬調制PWM輸出

TMS320F2812的事件管理模塊總共能輸出16路PWM信號，文中僅需要輸出一路占空比可調的PWM信號，并設計從PWM1引腳輸出該方波信號。文中選用通用定時器1(T1) 作為時基;全比較單元1保存調制值;計數方式采用連續增計數模式。PWM占空比值與T1的三角波數據比較，輸出PWM信號控制半導體制冷片工作。各寄存器設置如下(高速外設時鐘為22.5 MHz)[8-9]:

EvaRegs.ACTR.all=0x0006; //通過對比較方式控制寄存器的配置

EvaRegs.T1PR=5000; //定時器1周期值0.365 μs*N

EvaRegs.T1CMPR=2500; //定時器1比較值

EvaRegs.T1CNT=0; //定時器1初值設為0

EvaRegs.T1CON.all=0x144E; //連續增模式，TRS系數45M/2/16，T1使能

EvaRegs.CMPR1=1500; //占空比

文中設計的PWM周期為1.825 ms，TMS320F2812的計數器記數范圍為0~5DC。因此當系統裝入CMPR1寄存器的值為0或5DCH時，輸出恒為高電平或低電平。現以向CMPR1寫入1 500為例，PWM1引腳的輸出周期為1.825 ms的方波。

3.2 溫度控制軟件設計

根據前面敘述，用DS18B20讀取溫度采樣值，再通過參數自整定的Fuzzy-PID算法對數據進行處理[10]:根據E和EC的狀況，由模糊控制規律再通過模糊表推導出ΔKP，KI，KD，根據式(1)計算出KP，KI，KD的大小，再計算出U的初值和ΔU，由式(2)實時計算控制量U。通過參數轉換，將U轉換為PWM參數，修改EvaRegs.CMPR1的數值，改變PWM的占空比，從而控制TEC的制冷/制熱功率。

KP=KP0+f1(E， EC)

KI=KI0+f2(E，EC)

KD=KD0+f3(E， EC)

U(k)=U(k-1)+ΔU(k-1)

(1)

ΔU(k-1)=KP[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+

KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]

(2)

程序流程圖如圖5所示[10]。

圖5 溫度控制軟件流程

3.3 實驗結果

完成以上程序編寫后，首先利用仿真器進行溫度測量模擬，在標準溫度計所得室溫為31.2 ℃時，在CCS軟件中利用快速觀測窗口檢測到的溫度值為31.187 5 ℃。通過實驗證明，在外界溫度為31 ℃，采用默認設置(穩定溫度為25 ℃)時，該溫度控制系統能使被控物體的溫度穩定在25 ℃，溫度穩定時間小于100 s，精度可達到0.1 ℃以下，達到了工業控制要求。

4 結 語

利用DSP的高速處理能力，結合DS18B20精準的溫度讀取能力，以及利用CCS開發出溫度控制系統。該溫度控制系統中應用了Fuzzy-PID算法。設計目標是:在同樣的控制精度條件下，使系統的過渡時間及超調量盡可能減小，以改善控制效果。采用復合控制，使系統能有效抑制純滯后的影響，當參數變化較大以及有干擾時，仍能取得較好的控制效果。

參考文獻

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