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【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流数字温度传感器论文无线温度传感器论文.精品文档.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 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世纪60年代以来,数字信号处理器(Digital Signal Processing,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 1.1 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)。 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18B20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;DSl820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 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。 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(6):49-51. 5Texas Instruments Incorporated. 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