嵌入式模糊PID温度控制实现设计

摘要 I 摘 要 温度是工业生产中需要的最常见的控制变量之一，对于保证产品质量有重 大影响，由于温度是一种典型的时滞对象，温度控制过程中存在工控复杂，参 数多变，运行惯性大，控制滞后等特点。PID 温度控制是最早发展起来的控制 策略之一，PID 控制结构简单、易于实现、并且具有较强的鲁棒性，因而广泛 应用于工业过程控制中。但是由于经典的 PID 控制在品质上的局限性，对于大 时滞、不稳定被控对象控制不是很好。因此在实际运用中并不能达到理想状态。 随着被控对象越来越复杂，如具有非线性、参数事变、数学模型难以精确获得 等特点的对象时，传统的 PID 控制方法已经难以取决良好控制效果，此时一种 利用智能控制算法的 PID 控制应运而生。 智能 PID 算法是将智能控制和常规控制相融合的新方法，基于 DSP（数字 信号处理器）的模糊控制作为一种智能控制在很多领域已经相当成熟。模糊控 制是用模糊控制命题表示的一组控制规律，将指标函数与被控变量联系起来， 经模糊推理而决定控制量。本文对温度控制过程中的种种因素以及被控对象的 特性分析再对迷糊控制技术组成结构、原理进行介绍，从而提出设计的模糊 PID 控制器，介绍了 DSP 与模糊PID 的复合方法，运用基于 DSP 的模糊控 制以提高温度控制的稳定性、快速性、灵敏性以及控制系统抗干扰能力和跟踪 能力。 关键字：温服控制；模糊控制；PID；数字信号处理器 Abstract II Abstract Temperature is needed in the industrial production of the most common control variable to ensure that product quality has a significant impact due to temperature is a typical object of Delay, industrial complex, the temperature control process parameters varied, running inertiacontrol lag and other characteristics. PID temperature control is one of the earliest developed control strategies, PID control structure is simple, easy to implement and has strong robustness, which is widely used in industrial process control. However, due to the limitations of the classic PID control in terms of quality, large time delay, unstable controlled object control is not very good. Therefore, in practical use and can not achieve the desired state. Increasingly complex as the controlled object, such as nonlinear parameters Incident, the mathematical model is difficult to accurately obtain the characteristics of the object, the traditional PID control method has been difficult to depend on the good control effect, using intelligent control algorithm PID control came into being. Intelligent PID algorithm is the integration of new methods of intelligent control and conventional control as an intelligent control, fuzzy control based on DSP (digital signal processor) is already quite mature in many areas. Fuzzy Control using fuzzy control of the proposition expressed by a group of control law, the indicator function of the controlled variable, and decided to control the amount of the fuzzy inference. Structure of the characteristic analysis of various factors in the process of temperature control, as well as the controlled object is confused control technology, the principle described, the fuzzy-PID controller, introduced the DSP and fuzzy-PID compound the use of DSP-based fuzzy control to improve the stability of temperature control, fast, sensitive, and anti-jamming capability of the control system and tracking capabilities. Key words: warm clothes control; fuzzy control; the PID; digital signal processor 目 录 III 目 录 摘 要 ABSTRACT（英文摘要）. 目录III 第一章 引 言.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 智能控制发展状况.1 1.3 智能方法概述.1 1.4 目前的加热炉控制案.2 1.5 本文所要做的工作.4 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能6 2.1 DSP 的特点及其应用.6 2.1.1 数字信号处理器的特点.6 2.1.2 数字信号处理器芯片的应用.7 2.2 TMSF281X 系列 DSP 的内部结构及其组成.7 2.2.1 电源电路8 2.2.2 时钟电路9 2.2.3 JTAG 接口电路10 2.2.4 复位电 路.11 2.2.5 AD 转换电路.12 第三章 温控系统的硬件总体设计.17 3.1 温度检测电路的设计.17 3.1.1 温度传感器的选择17 3.1.2 DS18B20 的功能特性.18 目 录 IV 3.2 串口通信电路21 3.3 DA 转换电路23 3.4 驱动放大电路的设计24 第四章 温控系统的软件设计流程26 4.1 温控系统的软件总体设计26 4.3 上位机软件设计.26 第五章 对本文温度 PID 模糊控制的研究.36 5.1 模糊控制的基本思想.36 5.1.1 模糊控制的基本原理.37 5.2 PID 控制.37 5.3 模糊控制 PID 复合控制器的设计.37 5.3.1 模糊-PID 控制器输出.38 结 论.39 参考文献.40 致 谢.41 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 本课题研究的背景和意义 对于温度控制系统的研究在实际的工业生产中具有重要的意义，温度变化 是一个复杂的过程，工业控制中的温控对象具有非线性、大惯性和大时滞等特 点。准确有效地测量和控制温度是优质、高产、低耗和安全的重要条件。 伴随着电子技术和大规模集成电路在工业中的运用，微型计算机在工业控 制领域有广泛应用。当前对于智能控制的研究也使温度控制越来越智能化，对 于工业效率提高有着重大影响。 1.2 智能控制发展状况 传统的 PID 控制机器改进型控制原理简单、可靠性强、能使控制系统品质 指标保持在最佳的范围内，但其控制效果的好坏取决于辨别模式的精确度，对 于复杂控制系统是非常困难的。随着计算机的发展，人们将专家系统的理论和 技术同控制理论、方法与技术结合，在未知的环境下，仿效专家的经验，实现 对系统的控制，这就是所说的专家 PID 控制器。 从 20 世纪 60 年代起，由于空间技术、计算机技术以及人工智能的发展， 为了提高控制系统的自学习能力，控制界学者开始将人工智能技术应用于控制 系统。 1971 年，傅京逊首次提出智能控制这一概念，并归纳了 3 种类型的智能控 制系统：人作为控制器的控制系统、人机结合作为控制器控制系统、无人参与 的自主控制系统。 近年来，我国的模糊控制在温度等非线性系统的控制中取得了一些成果， 但在工程应用上我国和发达国家相比还存在着较大的差距。 1.3 智能控制方法概述 如果一个系统在外界的环境变化的情况下,有不断获得信息来减少不确定性 和计划、生产和行政行为的能力,即称为智能控制系统。智能控制技术是学习人 第一章 绪 论 - 2 - 类的大脑发展起来,人类的大脑是一个超级智能控制系统,提供实时推理、决策、 学习和记忆、以及其他功能,可以适应各种复杂的控制环境。 智能控制与传统或常规的控制密切相关，不是相互排斥的。传统的控制 通常包括在智能控制，智能控制，还采用传统的控制方法，以解决“低水平” 的控制问题。试图扩大传统的控制方法，并建立了一系列新的理论和方法来解 决复杂的控制问题更具挑战性。 智能控制主要有以下特点： （1）学习功能 （2）适应功能 （3）自组织功能 （4）优化能力 智能控制器能够通过不断优化控制参数或寻找控制器的最佳结构形式获得 整体最优的控制性能。智能控制主要有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传 算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。 1.4 目前的电热炉温控方案 1 常规 PID 控制 早先的温度控制大都采用 PID 控制算法，控制原理简单、直观；而且有很 好的控制性，对一些容易建立数学模型的控制系统尤其准确。常规 PID 控制已 经相当成熟。但是对于一些复杂的温度控制已不能满足工业控制的精度要求。 2 自适应控制 自适应模糊控制是指具有自适应学习算法的模糊逻辑系统，其学习算法是 依靠数据信息来调整模糊逻辑系统的参数，且可以保证控制系统的稳定性。一 个自适应模糊控制器可以用一个单一的自适应模糊控制系统构成，也可以用若 干个自适应模糊系统构成。自适应模糊控制的优越性在于它可以利用操作人员 提供的语言性模糊信息，这一点对具有高度不确定因素的系统尤为重要。 3 模糊控制 第一章 绪 论 - 3 - 模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言变量以及模糊推理为基础的一种智 能控制方法，建立在人工经验基础之上的。该方法是将熟练的操作员的实践经 验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到一种定性的、不确定、不精确的 控制规则。用模糊数学将其定量化，转化成模糊控制算法从而完成模糊推理， 将推理后得到的输出量加到执行器上。 模糊温度实现过程为：首先将温控对象的偏差和偏差率以及输出量化为不 同的模糊值，建立规则库，将这些模糊规则编成模糊语句，形成模糊模型。再 次根据根据模糊查询表形成模糊控制算法。最后对输入量的精确值模糊化，经 数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制 量，编成精确的控制量去驱动执行器，调整输入，达到调节温度的目的。 4 神经网络与 PID 的结合 神经网络是模拟人脑思维方式的数学模型。是现代生物学研究人脑组织成 果的基础上提出的，用来模拟人类大脑神经网络的结构和行为，进行分布式并 行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大 量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。由于其具有高度的非 线性映射、自组织、自学习和联想记忆等特点功能，故可以对非线性系统建模。 由于该方法算法简单、抗干扰能力强、响应速度快，且易于硬件和软件的实现， 在温度控制系统中具有广泛应用。在温度控制系统中，把影响温度的因素当作 网络输入，将输出作为 PID 控制器的参数，以实现数据作为样本，在微型计算 机上反复的自我完善与自我修正，一直到系统收敛，得到网络的权值，从而达 到自行整定 PID 控制器参数的目的，也就是神经网络 PID 控制方法。 5 模糊控制与 PID 结合 根据加热炉的控制要求，采用 Fuzzy-PID 复合控制算法，通过对传统 PID 控制中比例控制和微分控制作用的分析，结合模糊控制器的鲁棒性和自适应性 的优点，设计出一种 PID 控制与模糊控制相结合的智能控制系统。该系统具有 模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点，又具有 PID 控制的精度高，有良好 的静态性能的特点。当系统偏差较小时采用 PID 控制，使其具有良好的静态性 能，保证了控制精度，是一种 PID 控制和模糊控制分段切换控制的方法。模糊 第一章 绪 论 - 4 - 自整定 PID 控制的方法是通过测量系统系统偏差和偏差率从而模糊推理调整 PID 参数，也即是一种用模糊规则调节 PID 参数的自适应控制方法。 6 模糊控制与神经网络的结合 将神经网络的学习能力引入到模糊控制系统中，将模糊控制系统的模糊处 理、模糊推理、精确化计算通过分布式的神经网络表示是实现模糊系统自组织、 自学习的重要途径。模糊神经网络是将模糊系统和神经网络相结合而构成的网 络。模糊神经网络在本质上是将常规的神经网络赋予模糊输入信号和模糊权值， 其学习算法通常是神经网络学习算法推广。 1.5 本文的所做的工作 本课题的主要研究任务是在原有的传统 PID 控制算法的基础上，对温度控 制系统进行改进。针对加热炉实际应用的特点，对被控对象进行机理分析，设 计一种基于 DSP 的温度控制系统，提高系统控制的精度，能够达到高的指标要 求 本文共五章，所进行的工作和研究内容有： 第一章 介绍了智能控制的研究状况、方法以及课题的研究背景 第二章 S320X281X 系列 DSP 的结构域功能 第三章 系统的总体硬件设计电路和各对相关器件模块电路的介绍 第四章 温控系统控制软件总体设计流程 第五章 对本文温度控制算法的研究，对 PID 模糊控制的研究 本章小结 本章首先介绍了课题研究的背景和意义，说明温度控制在生产中的重要作 用，然后论述国外智能控制系统的发展状况来了解智能控制系统的方法，分别 介绍了温控领域的各种智能控制的方法，最后介绍本文的总体内容。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 5 第二章 S320X281X系列DSP的结构域功能 2.1 DSP的特点及其应用 在当今的数字时代背景下，DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品以 及控制领域的基础器件。如今的的 DSP 芯片集成度极高，现在的产品应用已扩 大到人们学习、工作以及生活各个方面，并逐渐成了电子产品的更新换代决定 因素。目前对 DSP 的爆炸性的需求时代已经要来临。 2.1.1 数字信号处理器的特点 数字信号处理器（DSP）具有如下特点： （1） DSP 采用了改进行的哈佛结构 内部有两条总线：数据总线和程序总线。采用程序与数据空间分开结构， 分别有各自的地址总线和数据总线。 （2） 采用流水线操作 每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多 个功能单元分别完成，支持任务的并行处理。 （3） 多处理单元 在 DSP 中集中了多个地址产生单元，支持循环寻址、拉倒序等特殊指令， 使 FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024 点的 FFT 运算 时间已小于 1us。 （4）独立的 DMA 总线和控制器 DSP 有一组或多组独立 DMA 控制逻辑，提高数据吞吐带宽，为数字信号 处理和高速数据交换提供了保障。 （5） DSP 支持重复运算，避免因循环操作而消耗太多时间。 （6） 多个的串行或并行 I/O 接口，以及一些具有特殊功能的接口来完成 或特殊数据处理或控制，提高了性能且降低成本。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 6 （7） 指令周期短 早先的 DSP 指令周期约为 400ns,采用 4um 的 NMOS 制造工艺，运算速度 到 5MIPS，即每秒运算五百万条指令。随着集成电路工艺的发展，DSP 广泛应 用了亚微米静态 CMOS 制造工艺，其运行速度越来越快。 2.1.2 数字信号处理器芯片的应用 内置数字信号处理器(，DigitalSignalProcessor)是车载主题内以逻辑电路对 音视频数字信号进行再加工处理的专用元件，是一个统称名词，包括数字效果 器、EQ、3D 环绕等等。数字信号处理器（DSP，即 DigitalSignalProcessor）是 进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算 机技术的发展而产生的新器件。广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处 理、雷达、航空航天、自动控制、医疗等众多领域。 2.2 TMS320F281X系列DSP的内部结构及其组成 TMS320F28是基于 TMS320281X 型 32 位定点数字信号处理器。 281X 整合了 DSP 和微处理器的最佳特性，能够在一个周期内完成 3232 位的 乘法累加器，或者两个 1616 位乘法累加器，能够完成 64 位的数据处理器， 从而使该处理器能够完成更高精度的处理任务。 如图 2-1 所示的 DSP 的主板电路框图： 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 7 图 2-1 主板电路 如图为 DSP 中央控制板电路图，主要包括以下几个部分：办卡电源，晶振 电路，JTAG 仿真电路，复位电路，串口电路，ADC 转换模块。 2.2.1 电源电路 TMS320F2812 达款芯片使用了高性能静态 CMOS 技术，具有低功耗的特 点，内核的供电电压是 1.8 V 或 1.9 V，I/O 口的供电电压是 3.3 V，采用了双电 源模式为 CPU、Flash、ROM、ADC 以及 I/O 等外设供电。为了让全部的模块 处于正确的复位状态，处理器在上电掉电的过程中必须满足特定的次序要求， 上电时，所有的 3.3 V 电源引脚必须先上电，然后再让 1.8 V 或 1.9 V 引脚上电， 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 8 1.8 V 或 1.9V 必须在 VDDIO（I/O 电源）达到 2.5 V 之后才能达到 0.3 V，这样 是为确保复位信号从 I/O 引脚传输到 I/O 缓冲中，从而给设备中的模块提供复 位电源，掉电时，在 VDD（CPU 内核电源）在达到 1.5 V 之前，芯片必须复位， 通过这样的顺序，有助于在 VDDIO 和 VDD 下降之前芯片上 Flash 正确的复位， 综合上述原因，电源芯片可采用 TI 公司提供的双路输出低压降稳压器 TPS767D318，它完全符 TMS320F2812 对供电时序的要求，其电源电路如图 2- 2 所示： 图 2-2 F2812 的电源电路 2.2.2 时钟电路 F2812 芯片有了两种不同的时钟产生方案：一种是利用电路板上的内部晶 体振荡器，另一种是者利用外部时钟。外部输入的时钟频率一般在 20MHz- 35MHz 范围内。芯片上时钟锁相环也即(PLL)可以来加倍输入进的时钟频率。 连接在 CLKIN 引脚上面的外部时钟和 CPU 工作时的最大频率也可以是一样的。 电源的能量损耗同 CPU 时钟频率大小是成一定线性关系的，对于 2812 来说， 一旦 CPU 时钟频率高于 135MHz，CPU 内核的供电电压也要相应提高到 1.9V。 因为 1.8V 有源晶体振荡器价格比较昂贵，所以在有晶体振荡器的电路中普 遍使用 3.3V 供电频率为 24MHz 的有源晶振。在有源晶体振荡器的输出端同 DSP 的 Xl/XCLKIN 引脚中间串入一个 100 欧电阻可以提高 DSP 系统工作的可 靠性。如图 2-3 的晶振电路原理图： 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 9 图 2-3 晶振电路原理图 2.2.3 JTAG接口电路 JTAG（连接测试组，Joint Test Action Group）接口是系统板同仿真器连接 的桥梁，实现了仿真器对 DSP 访问，JTAG 接口得和仿真器上的接口一致。无 论什么型号的仿真器，其接口都满足 IEEE 1149.1 的标准。根据 JTAG 口标准 定义 JTAG 与 DSP 之间有如下连接方式： 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 10 表 2-1 JTAG 接口定义 图 2-4 本系统的 JTAG 接口电路 2.2.4 复位电路 复位电路提供上电复位和手动复位到 DSP，复位芯片采用 SP708。由于以 上大量组件的使用，SP708R/S/T 系列可很有效地增大系统可靠性和工作效率。 SP708RJS/T 系列包含了一个供电模块 ，一个 uP 复位模块，一个手动复位按钮。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 11 SP708RJS/T 系列应用于+3.OV 或者+3.3V 环境。对于一些对电源的供电电压要 求比较严格的 uP 系统数字处理系统，SP708R/S/T 系列是一款完美的选择。 电路图如图 2-5 下所示： 图 2-5 复位电路 2.2.5 A/D转换 A/D 转换电路实现对温度信号进行模数转换。测量温度的范围（量程）和 测量温度的精度是进行系统设计时必须重点要考虑的问题，必须要保证温度满 程范围内的热分辨率（测温精度）低于系统允许的误差。通常来说，量程和最 大允许的误差之比（或精度级别，量程 x 精度等级的百分比=最大允许的误差） 可估算出 AD 转换芯片的位数，要留出 1-2 位余量。 同时要保证芯片放大电路的最大输出要小于 A/D 转换芯片输入范围，又要 保证其测温精确度小于其允许误差。以 PT100 热敏电阻为例，要测量 0-50的 温度，要求测温的误差不能超过 0.2，实际按 0.1计算，则可以估计出 A/D 转换芯片的位数要为 14。因为 95/0.1=950(1024，2048)，选择 11 位 A/D 即就 可以满足系统测量要求，同时要留出一定的余量，至少应选 12 位。2812 上的 ADC 模块满足其需求。 在 TMS320F2812 数字信号处理器中， ADC 模块是一个 12 位带流水线的 模块转换器(ADC)，此转换器的模拟电路有：电压调节器、转换核、采样 保持电路(SH)、前端模拟多路复用器( MUXs)以及其它模拟支持电路。数字 电路有：可编程转换序列发生器、模拟电路接口、设备外围总线接口、转换结 果寄存器以及其它片上模块接口等。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 12 为了满足绝大多数系统多传感器的需要，F2812 的 ADC 模块有 16 个通道， 可为两个独立配置的 8 通道模块，以便为事件管理器 B 和 A 服务。一 16 通道 的模块可以由两个独立的 8 通道模块级联组成，虽然有两个序列器和多个输入 通道，但在 ADC 的模块中却只有一个 转换器。TMS320F2812 ADC 模块框图 如下： 图 2-6 ADC 模块功能框图 两个 8 通道的模块有自动排序和对一系列信号转换的能力。在级联模式下， 自动排序器将会变成 16 通道。对于每一个通道而言，一旦 ADC 转换结束，就 把转换的结果存储在结果寄存器 ADCRESULT 中。自动序列化允许系对同一通 道多次采样。这样就能够获得更高采样的精度。 ADC 模块主要包括以下功能： 12 位模/数转换器。 同时或者顺序采样的模式。 模拟输入的电压范围：OV3V。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 13 快速转换时间，ADC 的时钟可配置在 25MHz，最高采样带宽为 12.5MSPS。 16 通道的模拟输入。 每次转换的通道可用软件编程选择。 排序器可选择工作在两个独立 8 通道排序模式，也可以在 16 通道级联 模式。 16 位转换结果寄存器用来存放 ADC 转化结果，转换后数字量表示为： 数字值=4095（输入模拟值-ADCLO）3 多个的触发源来启动 ADC 转换（SOC）分别为： EVA：事件管理器 A； EVB：事件管理器 B； S/W：软件立刻启动； 来产生中断请求。 采样保持 (S/H)采集时间的窗口具有独立预定控制。 为了获得更高精度的数/模转换结果，正确的 PCB 板设计是非常重要的。 对连接到 ADCINxx 引脚的迷你输入量要尽可能的远离数字信号电路线。为了 减小数字信号转换引起的噪声对 ADC 产生耦合干扰，需要将 ADC 模块的电源 输入同数字电源隔开。 TMS320F2812 昀 A/D 外围接口电路如图 2-7 所示。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 14 图 2-7 A/D 的外围电路原理图 图 2-8 A/D 供电模块电路原理图 F2812 的输入端上限电压为 3V，为防止输入的信号超过了 AD 输入端的电 压上限，这就要有一 AD 输入端的保护电路。图 2-9 是 AD 输入信号输入端保 护电路，Dl 与 D2 采用 3V 稳压二极管。 第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能 15 图 2-9 A/D 输入保护电路 在进行原理图与电路板的设计过程中，为了得到要求的结果，需要把总转 换的偏差尽可能的最小化和统一的操作，务必要注意电路板布线和原理图设计。 设计 TMS320F2812 芯片 ADC 的模式，需要牺数字信号转化速度作为代价。这 些设计是一个个相互关联的。在噪声有很大干扰的环境中，依据这些指导进行 操作却是一个很好的操作方法。 第三章 温控系统的硬件总体设计 16 第三章 温控系统的硬件总体设计 为了控制电热炉在一定的温度范围内，我们设计了控制电路本系统的框图 如图 3-1 所示，温度控制范围为 050，控制精度5% 。它是由测温传感模 块，DSP 控制模块，DAC 转换模块，温度调节放大模块，上位机模块。电热炉 的温度通过传感器被检测然后放大转换为数字信号传送到 DSP 中，在内部转换 成数字信号然后传输到 DSP 控制模块中，通过 DAC 转化输出模拟信号控制温 度调节驱动 TGJ17 来控制电热炉的温度，使温度控制在要求的范围之内。 图 3-1 系统硬件框图 图中 SLMT2-1 系列智能温度数据采集系统我们采用来作为传感器来温度 传感，DAC 采用 DAC7512 来进行模数转换，控制芯片采用 TMS320F2812 芯 片。 3.1 温度检测电路的设计 温控系统的重要部分之一就是温度检测电路，它肩负着检测电炉温度并将 温度数据传输 DSP 的任务。 3.1.1 温度传感器的选择 传感器是一种将非电量转换成电量的器件，本设计中锅炉温度信号的采样 需要用到温度传感器，温度传感器将温度信号转化为电压信号，工程上选择传 感器的种类非常多，目前，市场上常见并且应用广泛的主要有热电偶、热电阻、 第三章 温控系统的硬件总体设计 17 铂电阻、模拟集成温度传感器、数字智能温度传感器等几种温度传感器。 数字智能温度传感器，它是在一个芯片上集成了温度传感器，A/D 转换器 以及放大调理电路的设备，它能直接输出数字形式的结果。具有价格低，集成 度高，分辨精度低等特点。 本设计采用 SLMT2-1 系列智能温度数据采集系统，采用 MODBUS-RTU 通讯协议，配合美国 DALLAS 一线现场总线技术,实现低成本温度状态在线监 测方案的实用型组网模块。适合本系统锅炉温度信号的实时采集，经 DS18B20 输出数字信号，经过采集系统 SLMT2 模块可直接通过 RS232 接口与 PC 机连 接，并实时显示数据。 SLMT2-1 系列智能温度数据采集系统可以对 DS1820 数字温度传感器系列 产品进行温度数据采集、显示、数据传输，使温度检测系统获得高可靠性、低 成本和最简单的布线结构。它具有有体积小、测点多、组网灵活等特点，是传 统测温系统的理想替代品。 该采集系统的技术参数如表 3-1 所示： 表3-1 技术参数及特点 支持传感器 DS18B20 测温范围-25+125 显示分辨率 0.1 测温精度 0.5 测温速度850ms/点 通道数单总线可接 1-64 点（限单总线传感器） 通讯协议 MODBUS-RTU 波特率 9600 通讯端口 RS232 供电电源 DC 5V 耗电 2W 运行环境-40+85 支持测温电缆长度 100M 3.1.2 DS18B20 的功能特性 第三章 温控系统的硬件总体设计 18 DS18B20 数字温度计提供 9 位到 12 位（可配置）的温度读取，指示设备 上的温度。数据信息是通过一线接口（1WireInterface），即只需要一条线就可 以把很多 DS18B20 连接到中央处理器上。同时，用以读取数据和温度转换的 电源也可以通过数据线来提供，而无需外部电源。由于每一个 DS18B20 内部 都有一个唯一的序列号，所以多个 DS18B20 可以同时存在于一线总线上。这 样就可以把多个温度传感器放置于不同的位置。可以广泛应用于环境控制，建 筑物、设备或机器内部温度的测量及进程监控与控制。 主要的四部分组成了DS18B20的内部结构，TH、TL是温度报警触发器， 具有可擦写以及不容易丢失等特点，数据存储器是光刻ROM具有64位，里面还 有温度传感器以及可擦写、非易失性的设置寄存器。三引脚的器件外封装形式， 电源正和电源地为VDD和GND，另外一根是DQ线，该数据总线是一线式的， 在一条I/O总线上进行数据传输，多个DS18B20传感器可同时与单片机的I/O接 口连 接。 通过对配置寄存器进行配置，可以使其工作在 9 位12 位四种模式下。 以下是配置寄存器的功能介绍： 表3-2 配置寄存器功能表 D7D6D5D4D3D2D1D0 0R1R011111 D4D0 总为1,D7 总为0。 R1，R0：工作模式选择。各位工作模式下，温度测量所需时间不同。如表2-4 所示： 表3-3 R1，R0 工作方式 R1R0 工作模式工作模式最大的测量时间 00 9 位 93.75 ms 01 10 位 187.5 ms 10 11 位 375.0 ms 11 12 位 750.0 ms 第三章 温控系统的硬件总体设计 19 （1）DS18B20 的特点： +3.0V+5.5V 的电源电压范围，可以是寄生电源也可以是独立电源。 不需要 A/D 转换和信号放大等其它电路，直接输出数字信号。 输出位数可由程序决定，可以输出 912 位的二进制温度值。 DS18B20 与单片机进行双向通信是在一条 I/O 线上实现的，接口方式是 单总线 士 0.5的测量精度，温度测量范围是-55+125。 多个 DS18B20 可以挂在同一条总线上，具备多点组网功能，实现多点温 度的测量。 用户可自行设定非易失温度报警上下限值 TH 和 TL，同时还有报警搜索 命令可以识别出温度超限 DS1SB20。 （2）DS18B20 的工作过程： 所有挂在单总线上的 DS18B20 都需要初始化。 采用（OX33H）命令读接在总线上的单一 DS18B20 的序列号， DS18B20 芯片的 ID 号就会通过总线返回，采用相同的方式把所有挂在总线上 的 DS18B20 的 ID 号都读出来然后由单片机的 EPROM 进行保存。当使用多个 传感器进行多点测量温度的时候，操作指定的芯片就通过匹配 ID 号实现。 工作模式通过发送（OX4EH）命令进行设置，最高分辨率模式是 DS18B20 默认的，R1,R2 分别在该字节的 5 位和 6 位，第 7 位为 O，其他位为 1，该命令可对温度上限和下限进行设置。 使用 (OX44H) 命令对温度进行自动转换。 不同的分辨率需要等待不同的时间。 数据结果采用（OXBEH）命令字获得，读出 9 个字节的 RAM 数据，为 了确保正确需要进行校验。 温度值是由读出的前两个字节的数据转换成十进制形成的。传送命令信 第三章 温控系统的硬件总体设计 20 息和数据信息的实现方法是组合三个基本时序单元，包括初始化，读时序，写 时序。 （3）DS18B20 的时序： 初始化时序：初始化是总线上所有操作的开始，采用脉冲向总线发出， 先是一个低电平信号，时间至少为 480us，接着进入接收状态总线被主机释放。 用 4.7K 的上拉电阻把单总线拉至高电平状态，总线上升沿被 DS18B20 检测 到之后，等待 1560us 接着发出 60-240us 的低电平信号作为存在脉冲响应。 写时序：写时序是在与 DS18B20 通信中数据和命令的下传时需要被遵循 的。数据线被主机从高电平拉至低电平，产生写起始信号。需要写的位被主机 在 15us 之内送到数据线上，DS18B20 在 1560us 时间内采样数据线，如果采 样得到的电平是高，就写 1，如果电平为低，就写 0。需要有 1us 以上的高电平 时间进行恢复之后才能开始另一个写周期。 读时序：读时序是在读取 DS18B20 上传的数据的时后用到的。数据线被 主机从高电平拉至低电平至少 1us 的时间，再被上升为高电平，因此就产生了 读起始信号，主机完成读取数据位操作要在下降沿之后的 15us 的时间之内。每 个读周期中为 60us 的最短持续期，需要 1us 以上的时间进行恢复，在下一个读 周期到来的时候。 3.2 串口通信电路 DSP 与 PC 机及 LCD 实现 RS232 异步串行通信是通过串行口通信的。 RS232 是一种串行总线的物理接口标准，是美国电子工业协会在上世纪制定的。 DSP2812 支持串行通讯接口 SCI 接口模块，支持 CPU 和其他使用该标准格式 的异步外设之间的数字通信。SCI 接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它 自己单独的使能和中断标志位，两者都可独立工作，或者在全双工的方式下同 时工作。SCIRXD 引脚是 SCI 模块接收数据数据的引脚，SCITXD 是 SCI 发送 数据的引脚，当不使用 SCI 模块时，这两个引脚为通用的 I/O 口。为保证通信 数据完整性，还要求 SCI 对接收到的数据进行超时和帧出错校验、间断检测、 奇偶性校验。利用一个 16 位波特率来选择所使用的寄存器，数据传输速度可 以编成 65535 种不同的方式，CPU 时钟在 40MHz 时，波特率的范围为： 第三章 温控系统的硬件总体设计 21 76bps1875Kbps。SCI 的接口模块的数据在接收和发送时都采用 NRZ（非返 回零）格式。NRZ 数据格式有一个起始位，1-8 位数据位可供编程选择，可选 择的奇偶无校验位，1-2 停止位。在多处理器模式下其中还有一个地址 数据位跚。 本设计采用 MAX3232 芯片作为串行通信芯片，MAX3232 集成度高、功耗 低、 ，具有接收和发送两个通道， 3. 3V 低电平工作，能 DSP2812 直接相连， 无需电平转换。整个接口电路图如图 3-2： 图 3-2 MAX3232 接口电路图 工作原理： 异步串行通信接口(SCI)是一个能够发送、接收双线制的异步串行通信接口， 即通常所称的 UART 口。所谓异步传输即为将比特率分组进行传送，组可以是 8 位的一个字符或者更长的字符。发送方可以在任一时间发送这些比特组，但 是接收方却不知道它们能在什么时候到达。所以每一次异步传输的数据信息都 要以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达。当传输结束时，有一个停 止位表示这次传输信息的结束。异步传输由于其实现容易，因此经常用于低速 设备。 TMS320F2812 的 SCI 模块具有非常强大的功能。它有 SCITXD 和 SCIRXD 两个外部引脚，能够分别复用到通用的 I/O 接口上，为了减小串口通信时 CPU 第三章 温控系统的硬件总体设计 22 的开销，F2812 的串口支持 16 级接收和发送 FIFO，也可以不使用 FIFO 缓冲。 具有全双工或者半双工通信模式。本设计即用 SCI 模块的 SCITXD 和 SCIRXD 两个外部引脚能够分别连接到 MAX3232 的一路接收和发送驱动器，通过计算 机的接口来实现 TMS320F2812 和 PC 之间的相互通信。图 3-3 为 F2812 与 MAX3232 的接口电路图： 图 3-3 F2812 与 MAX3232 接线图 3.3 DA转换电路 DAC7512 是 TI 公司生产的具有内置缓冲放大器的低功耗单片 12 位串行 数模转换器。其片内高精度的输出放大器可获得满幅（供电电源电压与低电压 间）任意输出。DAC7512 内部具有可达 30MHZ 时钟的通用三线串行接口，因 而可接入高速 DSP 芯片。其接口与 SPI，QSPI 及 DSP 接口兼容，可与 Intel 系 列单片机、Motorola 等系列单片机直接连接而无需其他接口电路。 本设计中采用 DAC7512 转化器，DAC7512 串行数模转换器由供电电源作 为参考电压，因而具有很宽的动态输出范围。DAC7512 数模转换器具有 3 种关 断工作模式。在正常工作情况下下，DAC7512 在 5V 电压下功耗只有 0.7mW， 而在省电状态下的的功耗仅仅只有 1uW。 第三章 温控系统的硬件总体设计 23 （1）其主要特性如下： 微功耗，5V 供电时的工作电流消耗为 135uA； 在掉电模式下，如果采用 5V 电源供电，则其电流消耗为 135nA； 若采用 3V 供电，则其电流消耗为 50nA； 宽的电压供电范围：+2.7+5.5V； 上电复位后输出电压为 0V； 具有 3 种关段工作模式可供选择，5V 电压下的功耗仅为 0.7mW； 具有中断保护机制。SYNC 输出电流为 420mA 图 3-4 DAC7512 封装图 （2）DAC7512 的引脚功能： DAC7512 采用 SOT23-6 封装，引脚定义如下： GND：接地； ：供电电源，直流+2.7 到+5.5V； DD V ：串行数据输入； IN D SCLK：串行时钟输入； ：输入控制信号（低电平有效） 。SYNC 3.4 驱动放大电路的设计 本文的研究对象锅炉温度控制系统是一个采用 220V 电力供热的小型锅炉， 第三章 温控系统的硬件总体设计 24 其加热执行机构是电阻丝，通过接收 O22OV 的电压信号来改变加热功率。 单片机接收温度变送器信号并与给定值对比，通过内置的算法计算所需的输出 量，输出 420mA 标准电流信号到交流固体继电器，并线性转换为 O220V 交流电压控制电热丝的功率从而完成温度闭环控制。 本设计采用 TGJ17、 TGJ18 系列的单向交流固体继电器作为系统的驱动电 路，继电器将接收的 420mA 信号线性转化为 O220V 交流电压，从而控制 电热丝的功率，实现整个设计的温度闭环控制。 （1）单向交流固体继电器的特点 控制端与输出端有光电隔离与非隔离； 控制方式电流信号或电压信号二种； 可控硅移相输出,调节范围宽,无机械磨损,使用寿命长； 两线控制调压，使用方便又简单； 体积小巧,在很多场合中可以替代接触式调压器； （2）单向交流固体继电器的性能 单向交流固体继电器的型号及性能参数如表 3-4 所示 表 3-4 交流固态继电器的型号及性能参数 型 号TGJ17( 原 JGX9R )TGJ18( 原 JGX9U ) 负载电压0 - 240 VAC 0 - 440 VAC 最大负载电流60300 A 350500A 控制方式 外接可调电阻： 470560K/ 1W（220V 电源） 1M/ 1W（380V 电源） 控制信号：0 5 VDC 控制信号：4 20 mA 断态电压 400V 800V/tr 隔离电压控制端与输出端非电隔离隔离电压 绝缘电压 2000 V 性 能 参 数 绝缘电阻100 M 第三章 温控系统的硬件总体设计 25 工作频率5060 HZ 环境温度-2070 散热条件20A 配散热器,40A 再加风扇强冷 第四章 温控系统的软件设计流程图 26 第四章 温控系统的软件设计流程 4.1 温控系统的软件总体设计 TMS320F2812 为整个系统核心部分，系统的功能都是由这个核心部件完成。 主程序启动后，首先要完成对 TMS320F2812 的初始化和系统，然后进入循环， 然后等待中断事件的