基于DSP与数字温度传感器的温度控制系统

O 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DSl8B20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。

l 系统硬件组成
1．1 DSl8820功能结构与使用
    DSl8820是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚T0-92小体积封装形式；温度测量范围为-55～+125℃；可编程为9～12位A／D转换精度，测温分辨率可达0．0625℃；CPU只需一根埠线就能与诸多DSl8B20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DSl8B20非常适合用于远距离多点温度检测系统中。

    DSl8B20的管脚排列如图1所示。DQ为数字信号输入／输出端；GND为接地；VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS-l8B20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，以O．0625℃／LSB形式表达，其中S为符号位。例如+125℃的数字输出为07DOH，+25．0625℃的数字输出为0191H，-25．0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
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，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。

    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。
1．4 硬件连接
    DSl8B20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。

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DSl8B20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，程序流程如图4所示。

    DSl8B20的控制包括三种时序：复位、写时序、读时序。
    复位：主机总线在t0时刻发送一个复位脉冲(最短为480μs的低电平信号)，接着在t1时刻释放总线并进入接收状态；DS1820在检测到总线的上升沿之后等待15～60μs，接着在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60～240μs)。
    写时序：对于DSl8B20的写时序分为写O时序和写1时序两个过程。写O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 μs，保证DSl8B20能够在15～45μs之间正确地采样I／O总线上的“O”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15μs之内就得释放单总线。写数据持续时间应大于60μs且小于120μs，两次写操作时间间隔要大于1μs。
    读时序：对于DSl8B20的读时序同样分为读0时序和读1时序两个过程。对于DSl8B20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DSl8B20把数据传输到单总线上。DSl8B20在完成一个读时序过程，至少需要60μs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DSl8B20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PWMl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)：
   
     文中设计的PWM周期为 1．825 ms，TMS320F2812的计数器记数范围为0～5DC。因此当系统装入CMPRl寄存器的值为0或5DCH时，输出恒为高电平或低电平。现以向CMPRl写入1 500为例，PWMl引脚的输出周期为1．825 ms的方波。
3．2 温度控制软件设计
    根据前面叙述，用DSl8B20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：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．CMPRl的数值，改变PWM的占空比，从而控制TEC的制冷／制热功率。
   
    程序流程图如图5所示。

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100s，精度可达到O．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DSl8B20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。