1、数字温度传感器论文无线温度传感器论文基于 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
2、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 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 E
3、ngineering 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 digi
4、tal 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 o
5、f 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 世纪 60 年代以来,数字信号处理器(Digital Signal Processin
6、g,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
7、1。 1 系统硬件组成 1.1 DS18B20 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 912 位 A/D 转换精度,测温分辨率可达 0.062 5 ;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)。
8、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 0.062 5 /LSB 形式表达,其中 S 为符号位。例如+125 的数字输出为 07DOH, +25.062 5 的数字输出为 0191H, -25.062 5 的数字输出为 FF6FH,-55 的数字输出为 FC90H。 图 1 DS18B20 的管脚排列 1.2 DSP 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 150 MHz,本系统中所用晶振为 45 MHz,片内集
9、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。 图 2 半导体制冷原理 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 18B
10、20 的 DQ 口与 F2812 的 GPIOA0 口连接,具体连接如图 3 所示。 图 3 DS18B20 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CCS 2.2,前期安装及芯片设置在此省略5-6,程序流程如图 4 所示。 图 4 DS18B20 程序流程 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 480 s 的低电平信号),接着在 t1 时刻释放总线并进入接收状态;D
11、Sl820 在检测到总线的上升沿之后等待1560 s,接着在 t2 时刻发出存在脉冲(低电平持续 60240 s)。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 60 s,保证DS18B20 能够在 1545 s 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 15 s 之内就得释放单总线。写数据持续时间应大于 60 s 且小于 120 s,两次写操作时间间隔要大于 1 s。 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
12、程。对于DS18B20 的读时序是从 DSP 把单总线拉低之后,在 15 s 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 60 s 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
13、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 22.5 MHz)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 0.365 s*N EvaRegs.T1CMPR=2500; /定时器 1 比较值 EvaRegs.T1CNT=0; /定时器 1 初值设为 0
14、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 1.825 ms,TMS320F2812 的计数器记数范围为05DC。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 1 500 为例,PWM1 引脚的输出周期为 1.825 ms 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
15、EC 的状况,由模糊控制规律再通过模糊表推导出 KP,KI,KD,根据式(1)计算出 KP,KI,KD 的大小,再计算出 U 的初值和 U,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。KP=KP0+f1(E, EC) KI=KI0+f2(E,EC) KD=KD0+f3(E, EC) U(k)=U(k-1)+U(k-1) (1) U(k-1)=KPE(k)-E(k-1)+KIE(k)+ KDE(k)-2E(k-1)+E(k-2) (2) 程序流程图如图 5 所示10
16、。 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31.187 5 。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 100 s,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
17、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。 参考文献 1邹文栋,叶钦,谢海鹤,等.基于 TMS320F2812 的半导体激光器温度控制J.红外与激光工程,2008,37(4):642-646. 2马云峰.数字温度传感器 DS18B20 的原理与应用J.世界电子元器件,2002(1):47-48. 3苏奎峰,吕强.TMS320F2812 原理与开发M.北京:电子工业出版社,2006. 4郑永明,方方,徐建一,等.半导体致冷原理及其应用系统设计研究J.中国测试技术,2006,32(
18、6):49-51. 5Texas Instruments Incorporated. TMS320C2812 digital signal processors data manual(Rev.C)M. US: Texas Instruments, 2004. 6Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x DSP CPU and instruction set reference guide(Rev.C)M. US: Texas Instruments, 2004. 7崔玮,徐根林.DSP 和 DS18B20 的温度测量系统J.微计算机信息,2007,23(14):166-168. 8万山明.TMS320F281XDSP 原理及应用实例M.北京:北京航空航天大学出版社,2007. 9Texas Instruments Incorporated. TMS320F281x event manager(EV) reference guide(Rev.C)M. US: Texas Instruments, 2004. 10杜强,邹文栋,娄爱珍,等.半导体激光器温度的 Fuzzy-PID 控制J.南昌航空工业学院学报:自然科学版,2006,20(1):4-7.
