基于DSP与数字温度传感器的温度控制VIP

0引言20世纪60年代以来，数字信号处理器(DigitalSignalProcessing,DSP)伴随着计算机和逋值技术得到飞速发展，应用领域也越来越广泛。在温度控制方面，尤其是固体激光器的温度控制，受其工作环境和条件的影响，温度的精度要求比较严格，之前国内外关于温度控制基本上都采用温度敏感电阻来测量温度，然后用风冷或者水冷方式来达到温度控制效果，精度不够且体积大。本文基于DSP芯片TMS320F2812与数字温度传感器DSl8B20设计出一个温度测量系统，根据测量所得的温度与设定的参量，并利用模糊PID算法计算出控制量，利用该控制量调节由DSP事件管理器产生PWM波的占空比，并作用于半导体制冷器，以达到温度控制效果，实现控制精度高，体积小的温度控制系统。l系统硬件组成1.1DSl8820功能结构与使用DSl8820是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚T0-92小体积封装形式；温度测量范围为-55〜+125℃；可编程为9〜12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃；CPU只需一根埠线就能与诸多DSl8B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DSl8B20非常适合用于远距离多点温度检测系统中。□NDfXJVDD(UO1T0IWvil.W)图1DS18B20的管脚排剂DSl8B20的管脚排列如图1所示。DQ为数字信号输入/输出端；GND为接地；VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DST8B20中的温度传感器可完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以O.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。例如+125℃的数字输出为07DOH，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。1.2DSP介绍这里所用DSP为TMS320F2812,它是美国TI公司新推出的低价位、高性能的16位定点DSP，是专为控制应用系统而设计的，其主频可达150MHz，本系统中所用晶振为45MHz，片内集成了外围设备接口，主要起控制和计算作用。1.3半导体制冷器简介半导体制冷器是根据帕尔贴效应制成的，由两种不同金属组成一对热电偶，当热电偶迈入直流电流后因直流电通入的方向不同，将在热电偶结点处产生吸热和放热现象。制冷器结构如图2所示。图2半导体制冷原理把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，上端产生吸热现象，此端称冷端，下端产生放热现象，此端称热端，如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。1.4硬件连接DS18B20与DSP连接主要有两种方式：寄生电源方式和外部供电方式。本文采用外部供电方式，其中18B20的DQ口与F2812的GPIOAO口连接，具体连接如图3所示。图3DS18B2C与DSP连接图2温度测量要进行温度控制，首先要测量所控制目标的温度值，在本系统中，具体使用数字温度传感器DS18B20与DSP结合，并利用CCS编写程序，本系统开发平台为CCS2.2,前期安装及芯片设置在此省略，程序流程如图4所示。图4I）S18H20程序漉程DS18B20的控制包括三种时序：复位、写时序、读时序。复位：主机总线在t0时刻发送一个复位脉冲（最短为480Hs的低电平信号），接着在t1时刻释放总线并进入接收状态；DS1820在检测到总线的上升沿之后等待15〜60Hs,接着在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60〜240Hs）。写时序：对于DS18B20的写时序分为写O时序和写1时序两个过程。写O时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，总线要被拉低至少60Hs,保证DS18B20能够在15〜45Hs之间正确地采样I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15Hs之内就得释放单总线。写数据持续时间应大于60Hs且小于120Hs,两次写操作时间间隔要大于1Hs。读时序：对于DS18B20的读时序同样分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时序是从DSP把单总线拉低之后，在15s之内就得释放单总线，以便让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60Hs才能完成。需要注意的是，在程序编写时不管是复位，还是读写，都要注意配置GPIOA0端口的状态（输入或输出），同时时序非常重要，本文中的延时都是经过多次测试后总结出来的，根据DSP芯片的晶振不同，延时程序都会改变，否则DS18B20不会正常工作。3温度控制3.1脉宽调制PWM输出TMS320F2812的事件管理模块总共能输出16路PWM信号，文中仅需要输出一路占空比可调的PWM信号，并设计从PWMl引脚输出该方波信号。文中选用通用定时器1（T1）作为时基；全比较单元1保存调制值；计数方式采用连续增计数模式。PWM占空比值与T1的三角波数据比较，输出PWM信号控制半导体制冷片工作。各寄存器设置如下（高速外设时钟为22.5MHz）：

EvaReg5,ACTR,^11=0x0006；〃通过对比较方式控制寄存器的配置EvaR砥s,TlPR=5000*〃定时器1周期值0.365淖*NEvaRegs.T1CMPR-25OO； 〃定时器1i匕较值EvaRegs.TlCNT=0; 〃定时器1初值设为0EvaR匕gsTlCUYaU=0xl44E；〃连续增模式，丁RS系数45M/2/16,T1使能EvaRegs.CMPRI=1500； 〃占空比文中设计的PWM周期为1.825ms,TMS320F2812的计数器记数范围为0〜5DC。因此当系统装入CMPR1寄存器的值为0或5DCH时，输出恒为高电平或低电平。现以向CMPR1写入1500为例，PWM1引脚的输出周期为1.825ms的方波。3.2温度控制软件设计根据前面叙述，用DS18B20读取温度采样值，再通过参数自整定的Fuzzy-PID算法对数据进行处理：根据E和Ec的状况，由模糊控制规律再通过模糊表推导出△KP,KLKD,根据式⑴计算出KP,KLKD的大小，再计算出U的初值和△（；,由式⑵实时计算控制量U。通过参数转换，将U转换为PWM参数，修改EvaRegs.CMPR1的数值，改变PWM的占空比，从而控制TEC的制冷/制热功率。KP=K如十Ec)(1)K[=Kiq+//E,EQ(1)KlKm十二(E,EQu(k)=u("i)+au(-i)1)=Kp[E&)—E(4—D]+KiE<£)十K^E(k)-2E(k―1)+E(A—2)]程序流程图如图5所示。系统初始化TQO工 Fuzzy-PID /V至力加热 制泠或加热 午力制冷图5温度控制软件流程3.3实验结果完成以上程序编写后，首先利用仿真器进行温度测量模拟，在标准温度计所得室温为31.2℃时，在CCS软件中利用快速观测窗口检测到的温度值为31.1875℃。通过实验证明，在外界温度为31℃,采用默认设置（稳定温度为25℃）时，该温度控制系统能使被控物体的温度稳定在25℃,温度稳定时间小于100s,精度可达到0.1℃以下，达到了工业控制要求。4结语利用DS