- 基于DSP與數字溫度傳感器的溫度控制系統
- 溫度控制軟件的設計
- 采用外部供電方式
- 采用連續增計數模式
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DSl8B20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 系統硬件組成
1．1 DSl8820功能結構與使用
DSl8820是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳T0-92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0．0625℃；CPU只需一根埠線就能與諸多DSl8B20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DSl8B20非常適合用于遠距離多點溫度檢測系統中。
DSl8B20的管腳排列如圖1所示。DQ為數字信號輸入／輸出端；GND為接地；VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS-l8B20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，以O．0625℃／LSB形式表達，其中S為符號位。例如+125℃的數字輸出為07DOH，+25．0625℃的數字輸出為0191H，-25．0625℃的數字輸出為FF6FH，-55℃的數字輸出為FC90H。
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1．2 DSP介紹
這里所用DSP為TMS320，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，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。
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。
1．4 硬件連接
DSl8B20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。
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DSl8B20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，程序流程如圖4所示。
DSl8B20的控制包括三種時序：復位、寫時序、讀時序。
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復位：主機總線在t0時刻發送一個復位脈沖(最短為480μs的低電平信號)，接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態；DS1820在檢測到總線的上升沿之后等待15～60μs，接著在t2時刻發出存在脈沖(低電平持續60～240μs)。
寫時序：對于DSl8B20的寫時序分為寫O時序和寫1時序兩個過程。寫O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DSl8B20能夠在15～45μs之間正確地采樣I／O總線上的“O”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15μs之內就得釋放單總線。寫數據持續時間應大于60μs且小于120μs，兩次寫操作時間間隔要大于1μs。
讀時序：對于DSl8B20的讀時序同樣分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DSl8B20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DSl8B20把數據傳輸到單總線上。DSl8B20在完成一個讀時序過程，至少需要60μs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DSl8B20不會正常工作。
3 溫度控制
3．1 脈寬調制PWM輸出
TMS320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PWMl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)：
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CMPRl寄存器的值為0或5DCH時，輸出恒為高電平或低電平。現以向CMPRl寫入1 500為例，PWMl引腳的輸出周期為1．825 ms的方波。
根據前面敘述，用DSl8B20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：根據E和Ec的狀況，由模糊控制規律再通過模糊表推導出△KP，KI，KD，根據式(1)計算出KP，KI，KD的大小，再計算出U的初值和△U，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．CMPRl的數值，改變PWM的占空比，從而控制TEC的制冷／制熱功率。
程序流程圖如圖5所示
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100s，精度可達到O．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DSl8B20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。
