基于DSP与数字温度传感器的温度控制

o导言自20世纪60年代以来，随着计算机和通信技术的发展，数字信号处理得到了迅速发展，其应用领域也越来越广泛。在温度控制方面，特别是固态激光器的温度控制，由于其工作环境和条件的影响，温度的精度相对较高。以前，国内外基本上都是用热敏电阻来测量温度，然后用风冷或水冷来达到温度控制的效果。精度不够，体积大。设计了一种基于数字信号处理器芯片TMS320F2812和数字温度传感器DSl8B20的温度测量系统。根据测得的温度和设定的参数，采用模糊PID算法计算控制量，调节DSP事件管理器产生的PWM波占空比，作用于半导体制冷器，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。系统硬件组成1.1 DSL 8820的功能结构和使用DSl8820是一款由DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，采用3引脚T0-92小体积封装。温度测量范围为-55 125；可编程为9 12位模数转换精度，测温分辨率可达0.0625；中央处理器只需要一条端口线就可以与多个DSl8B20通信，占用的微处理器端口较少，节省了大量的引线和逻辑电路。上述特性使DSl8B20非常适合用于远程多点温度检测系统。DSl8B20的引脚排列如图1所示。DQ是数字信号输入/输出终端；GND被禁足了；VDD是外部电源的输入(在寄生电源连接模式下接地)。DS-l8B20中的温度传感器可以完成温度测量，以16位符号扩展二进制补码读数的形式提供，以o 0625/LSB的形式表示，其中s是符号位。例如，125时的数字输出为07DOH，25.0625时的数字输出为0191H，25.0625时的数字输出为FF6FH，55时的数字输出为FC90H。1.2 DSP简介这里使用的数字信号处理器是TMS320F2812，它是美国TI公司新推出的一种低成本、高性能的16位定点数字信号处理器。它是专门为控制应用系统而设计的。它的主频可以达到150兆赫。该系统中使用的晶体振荡器为45 MHz。外围设备接口集成在芯片上，主要起到控制和计算的作用。1.3半导体冰箱介绍半导体制冷器是根据珀尔帖效应制造的，由一对由两种不同金属制成的热电偶组成。当热电偶进入直流电时，直流电会以不同的方向进入，导致热电偶接点吸热和放热。冰箱结构如图2所示。通过使用金属连接件将N型半导体和P型半导体的颗粒焊接成电耦合器。当直流电从北极流向南极时，上端产生吸热，这一端称为冷端，下端产生放热，这一端称为热端。如果电流方向相反，冷端和热端会相互切换。1.4硬件连接连接DSl8B20和DSP的主要方式有两种：寄生电源模式和外部电源模式。本论文采用外部供电方式，DQ端口18B20与GPIOA0端口F2812相连，具体连接如图3所示。测温为了进行温度控制，必须首先测量受控目标的温度值。在该系统中，数字温度传感器DSl8B20专门与数字信号处理器结合使用，CCS用于编写程序。该系统的开发平台是CCS 2.2。这里省略了初步安装和芯片设置。程序流程如图4所示。DSl8B20的控制包括三个时序：复位、写时序和读时序。复位：主机总线在时间t0发送复位脉冲(最低480s的低电平信号)，然后释放总线并在时间t1进入接收状态；DS1820在检测到总线的上升沿后等待15 60 s，然后在t2发射一个存在脉冲(低电平持续60 240 s)。写时序：DSl8B20的写时序分为两个过程：写o时序和写1时序。写定时和写1定时的要求读取时序：DSl8B20的读取时序也分为两个过程：读取0时序和读取1时序。ds18b 20的读取时序是在DSP拉低单个总线后15秒内释放单个总线，以便ds18b 20可以将数据传输到单个总线。DSLAM 8B20至少需要60s来完成读取时序过程。应注意，在编程期间，无论是复位还是读/写，都应配置GPIOA0端口的状态(输入或输出)。同时，时机非常重要。本文中的延迟是经过多次测试后总结出来的。延迟程序将根据DSP芯片的晶振而改变，否则DSl8B20将无法正常工作。3温度控制3.1脉宽调制脉宽调制输出TMS320F2812的事件管理模块可以输出总共16个脉宽调制信号。本文只需要输出一个占空比可调的脉宽调制信号，方波信号设计为从脉宽调制引脚输出。本文选择通用定时器1(T1)作为时基。全比较单元1存储调制值；计数方式采用连续计数方式。将脉宽调制占空比值与T1的三角波数据进行比较，并且输出脉宽调制信号以控制半导体制冷器的操作。每个寄存器设置如下(高速外设时钟为22.5 MHz):本文设计的脉宽调制周期为1.825 ms，计数范围为0 5 DC。因此，当系统将CMPRl寄存器的值加载为0或5DCH时，输出始终为高或低。以向CMPRl写入1，500为例，PWMl引脚的输出周期为1.825 ms的方波3.2温度控制软件的设计根据前面的描述，用DSl8B20读取温度样本值，然后用带自整定参数的模糊-PID算法对数据进行处理：根据e和Ec的条件，从模糊控制规则和模糊表中导出KP、KI和KD，根据公式(1)计算KP、KI和KD的大小，计算u和u的初始值，根据公式(2)实时计算控制量u。通过参数转换，u被转换成脉宽调制参数，即有效值。改变脉宽调制的占空比，从而控制热电制冷器的制冷/制热功率。程序流程图如图5所示。3.3实验结果写完上述程序后，模拟器首先用来模拟温度测量。当标准温度计测得的室温为31.2时，CCS软件快速观察窗测得的温度值为31.1875。实验表明，当外部温度为31，默认设置(稳定温度为25)时，温控系统可将被控对象的温度稳定在25，温度稳定时间小于100秒，精度可达到0.1以下，满足工业控制要求。结论利用DSP的高速处理能力，结合DSl8B20的精确温度读