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江苏十一选五前三:基于DSP與數字溫度傳感器的溫度控制系統

江苏十一选五号码遗漏 www.pypna.com 來源:UC論文網2019-04-08 09:29

摘要:

  摘要:傳統的溫度控制系統是以熱敏電阻為溫度傳感器件,輔以風冷或水冷來達到目的的,存在體積大,噪音大且精度有限的缺點。介紹了利用數字溫度傳感器(DS18B20)與DSP芯片(TMS320F2812)組成的溫度測量系統,結合模糊PID算法(Fuzzy-PID),利用DSP的脈寬調制控制通過半導體制冷器的電流大小,達到溫度控制的效果,體積小且精度達到0.1℃。給出DSP與DS18B20的接線圖,并且...

  摘要:傳統的溫度控制系統是以熱敏電阻為溫度傳感器件,輔以風冷或水冷來達到目的的,存在體積大,噪音大且精度有限的缺點。介紹了利用數字溫度傳感器(DS18B20)與DSP芯片(TMS320F2812)組成的溫度測量系統,結合模糊PID算法(Fuzzy-PID),利用DSP的脈寬調制控制通過半導體制冷器的電流大小,達到溫度控制的效果,體積小且精度達到0.1℃。給出DSP與DS18B20的接線圖,并且介紹了利用CCS(代碼編輯工作室)進行軟件開發。該系統已經運用在LD溫度控制方面,取得了很好的效果。


  關鍵詞:DSP;溫度傳感器;溫度控制;模糊PID;脈寬調制


  中圖分類號:TP23文獻標識碼:A


  文章編號:1004-373X(2010)09-0129-03


  0引言


  20世紀60年代以來,數字信號處理器(DigitalSignalProcessing,DSP)伴隨著計算機和通信技術得到飛速發展,應用領域也越來越廣泛。在溫度控制方面,尤其是固體激光器的溫度控制,受其工作環境和條件的影響,溫度的精度要求比較嚴格,之前國內外關于溫度控制基本上都采用溫度敏感電阻來測量溫度,然后用風冷或者水冷方式來達到溫度控制效果,精度不夠且體積大。本文基于DSP芯片TMS320F2812與數字溫度傳感器DS18B20設計出一個溫度測量系統,根據測量所得的溫度與設定的參量,并利用模糊PID算法計算出控制量,利用該控制量調節由DSP事件管理器產生PWM波的占空比,并作用于半導體制冷器,以達到溫度控制效果,實現控制精度高,體積小的溫度控制系統[1]。


  1系統硬件組成


  1.1DS18B20功能結構與使用


  DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器,具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55~+125℃;可編程為9~12位A/D轉換精度,測溫分辨率可達0.0625℃;CPU只需一根埠線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適合用于遠距離多點溫度檢測系統中。


  DS18B20的管腳排列如圖1所示。DQ為數字信號輸人/輸出端;GND為接地;VDD為外接供電電源輸人端(在寄生電源接線方式時接地)。


  DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量,用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供[2],以0.0625℃/LSB形式表達,其中S為符號位。例如+125℃的數字輸出為07DOH,+25.0625℃的數字輸出為0191H,-25.0625℃的數字輸出為FF6FH,-55℃的數字輸出為FC90H。


  1.2DSP介紹


  這里所用DSP為TMS320F2812,它是美國TI公司新推出的低價位、高性能的16位定點DSP,是專為控制應用系統而設計的[3],其主頻可達150MHz,本系統中所用晶振為45MHz,片內集成了外圍設備接口,主要起控制和計算作用。


  1.3半導體制冷器簡介


  半導體制冷器是根據帕爾貼效應制成的,由兩種不同金屬組成一對熱電偶,當熱電偶邁入直流電流后因直流電通入的方向不同,將在熱電偶結點處產生吸熱和放熱現象。制冷器結構如圖2所示[4]。


  把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連接片焊接成一個電偶對。當直流電流從N極流向P極時,上端產生吸熱現象,此端稱冷端,下端產生放熱現象,此端稱熱端,如果電流方向反過來,則冷熱端相互轉換。


  1.4硬件連接


  DS18B20與DSP連接主要有兩種方式:寄生電源方式和外部供電方式。本文采用外部供電方式,其中18B20的DQ口與F2812的GPIOA0口連接,具體連接如圖3所示。


  2溫度測量


  要進行溫度控制,首先要測量所控制目標的溫度值,在本系統中,具體使用數字溫度傳感器DS18B20與DSP結合,并利用CCS編寫程序,本系統開發平臺為CCS2.2,前期安裝及芯片設置在此省略[5-6],程序流程如圖4所示。


  DS18B20的控制包括三種時序:復位、寫時序、讀時序[7]。


  復位:主機總線在t0時刻發送一個復位脈沖(最短為480μs的低電平信號),接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態;DSl820在檢測到總線的上升沿之后等待15~60μs,接著在t2時刻發出存在脈沖(低電平持續60~240μs)。


  寫時序:對于DS18B20的寫時序分為寫0時序和寫1時序兩個過程。寫0時序和寫1時序的要求不同,當要寫0時序時,總線要被拉低至少60μs,保證DS18B20能夠在15~45μs之間正確地采樣I/O總線上的“0”電平,當要寫1時序時,單總線被拉低之后,在15μs之內就得釋放單總線。寫數據持續時間應大于60μs且小于120μs,兩次寫操作時間間隔要大于1μs。


  讀時序:對于DS18B20的讀時序同樣分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從DSP把單總線拉低之后,在15s之內就得釋放單總線,以便讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在完成一個讀時序過程,至少需要60μs才能完成。


  需要注意的是,在程序編寫時不管是復位,還是讀寫,都要注意配置GPIOA0端口的狀態(輸入或輸出),同時時序非常重要,本文中的延時都是經過多次測試后總結出來的,根據DSP芯片的晶振不同,延時程序都會改變,否則DS18B20不會正常工作。


  3溫度控制


  3.1脈寬調制PWM輸出


  TMS320F2812的事件管理??樽芄材蓯涑?6路PWM信號,文中僅需要輸出一路占空比可調的PWM信號,并設計從PWM1引腳輸出該方波信號。文中選用通用定時器1(T1)作為時基;全比較單元1保存調制值;計數方式采用連續增計數模式。PWM占空比值與T1的三角波數據比較,輸出PWM信號控制半導體制冷片工作。各寄存器設置如下(高速外設時鐘為22.5MHz)[8-9]:


  EvaRegs.ACTR.all=0x0006;//通過對比較方式控制寄存器的配置


  EvaRegs.T1PR=5000;//定時器1周期值0.365μs*N


  EvaRegs.T1CMPR=2500;//定時器1比較值


  EvaRegs.T1CNT=0;//定時器1初值設為0


  EvaRegs.T1CON.all=0x144E;//連續增模式,TRS系數45M/2/16,T1使能


  EvaRegs.CMPR1=1500;//占空比


  文中設計的PWM周期為1.825ms,TMS320F2812的計數器記數范圍為0~5DC。因此當系統裝入CMPR1寄存器的值為0或5DCH時,輸出恒為高電平或低電平。現以向CMPR1寫入1500為例,PWM1引腳的輸出周期為1.825ms的方波。


  3.2溫度控制軟件設計


  根據前面敘述,用DS18B20讀取溫度采樣值,再通過參數自整定的Fuzzy-PID算法對數據進行處理[10]:根據E和EC的狀況,由模糊控制規律再通過模糊表推導出ΔKP,KI,KD,根據式(1)計算出KP,KI,KD的大小,再計算出U的初值和ΔU,由式(2)實時計算控制量U。通過參數轉換,將U轉換為PWM參數,修改EvaRegs.CMPR1的數值,改變PWM的占空比,從而控制TEC的制冷/制熱功率。


  3.3實驗結果


  完成以上程序編寫后,首先利用仿真器進行溫度測量模擬,在標準溫度計所得室溫為31.2℃時,在CCS軟件中利用快速觀測窗口檢測到的溫度值為31.1875℃。通過實驗證明,在外界溫度為31℃,采用默認設置(穩定溫度為25℃)時,該溫度控制系統能使被控物體的溫度穩定在25℃,溫度穩定時間小于100s,精度可達到0.1℃以下,達到了工業控制要求。


  4結語


  利用DSP的高速處理能力,結合DS18B20精準的溫度讀取能力,以及利用CCS開發出溫度控制系統。該溫度控制系統中應用了Fuzzy-PID算法。設計目標是:在同樣的控制精度條件下,使系統的過渡時間及超調量盡可能減小,以改善控制效果。采用復合控制,使系統能有效抑制純滯后的影響,當參數變化較大以及有干擾時,仍能取得較好的控制效果。


  


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