基于DSP与数字温度传感器的温度控制系统

　　摘要：传统的温度控制系统是以热敏电阻为温度传感器件，辅以风冷或水冷来达到目的的，存在体积大，噪音大且精度有限的缺点。介绍了利用数字温度传感器(DS18B20)与DSP芯片(TMS320F2812)组成的温度测量系统，结合模糊PID算法(Fuzzy-PID)，利用DSP的脉宽调制控制通过半导体制冷器的电流大小，达到温度控制的效果，体积小且精度达到0.1℃。给出DSP与DS18B20的接线图，并且介绍了利用CCS(代码编辑工作室)进行软件开发。该系统已经运用在LD温度控制方面，取得了很好的效果。

　　关键词：DSP；温度传感器；温度控制；模糊PID；脉宽调制

　　中图分类号：TP23文献标识码：A

　　文章编号：1004-373X(2010)09-0129-03

　　0引言

　　20世纪60年代以来，数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，DSP)伴随着计算机和通信技术得到飞速发展，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DS18B20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[1]。

　　1系统硬件组成

　　1.1DS18B20功能结构与使用

　　DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO-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DS18B20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DS18B20非常适合用于远距离多点温度检测系统中。

　　DS18B20的管脚排列如图1所示。DQ为数字信号输人/输出端；GND为接地；VDD为外接供电电源输人端(在寄生电源接线方式时接地)。

　　DS18B20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[2]，以0.0625℃/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[3]，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[4]。

　　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GPIOA0口连接，具体连接如图3所示。

　　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[5-6]，程序流程如图4所示。

　　DS18B20的控制包括三种时序：复位、写时序、读时序[7]。

　　复位：主机总线在t0时刻发送一个复位脉冲(最短为480μs的低电平信号)，接着在t1时刻释放总线并进入接收状态；DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15~60μs，接着在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60~240μs)。

　　写时序：对于DS18B20的写时序分为写0时序和写1时序两个过程。写0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60μs，保证DS18B20能够在15~45μs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15μs之内就得释放单总线。写数据持续时间应大于60μs且小于120μs，两次写操作时间间隔要大于1μs。

　　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60μs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PWM1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)[8-9]：

　　EvaRegs.ACTR.all=0x0006；//通过对比较方式控制寄存器的配置

　　EvaRegs.T1PR=5000；//定时器1周期值0.365μs*N

　　EvaRegs.T1CMPR=2500；//定时器1比较值

　　EvaRegs.T1CNT=0；//定时器1初值设为0

　　EvaRegs.T1CON.all=0x144E；//连续增模式，TRS系数45M/2/16，T1使能

　　EvaRegs.CMPR1=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[10]：根据E和EC的状况，由模糊控制规律再通过模糊表推导出ΔKP，KI，KD，根据式(1)计算出KP，KI，KD的大小，再计算出U的初值和ΔU，由式(2)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。

　　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DSP的高速处理能力，结合DS18B20精准的温度读取能力，以及利用CCS开发出温度控制系统。该温度控制系统中应用了Fuzzy-PID算法。设计目标是：在同样的控制精度条件下，使系统的过渡时间及超调量尽可能减小，以改善控制效果。采用复合控制，使系统能有效抑制纯滞后的影响，当参数变化较大以及有干扰时，仍能取得较好的控制效果。