劉政 袁國良 王麗芳 上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 200135

基于Cortex-M 0的室內(nèi)溫控系統(tǒng)的設(shè)計

劉政 袁國良 王麗芳 上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 200135

本文介紹一種典型的基于ARM Cortex-M0芯片室內(nèi)溫控系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了數(shù)字PID溫度控制調(diào)節(jié)方式的原理與機(jī)制，給出了Cortex-M0通過溫度傳感器(DS18B20)和PID 調(diào)節(jié)方法控制室內(nèi)冷暖設(shè)備以提供適溫的軟件設(shè)計方案。

Cortex-M0 ；LPC1111；DS18B20；PID 控制

引言

溫度是我們生活，工作，以及工業(yè)等其他各個領(lǐng)域中主要的環(huán)境參數(shù)之一，尤其是人體需要的適溫。過冷、過熱都會影響我們正常的生活和工作，由此控溫系統(tǒng)顯得異常重要。隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是A R M技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是在低功耗、低成本，高性能還是在穩(wěn)定性、高速率等方面都表現(xiàn)得相當(dāng)出色，A R M芯片Cortex-M 0在單片機(jī)微控制低端領(lǐng)域的表現(xiàn)更是突出。

本文設(shè)計了一種基于Cortex-M 0單片機(jī)的溫度感知控制系統(tǒng)，能通過DS18B 20溫度傳感器感知環(huán)境溫度，并根據(jù)設(shè)定溫度和環(huán)境溫度的差值得出調(diào)節(jié)量，然后通過這個調(diào)節(jié)量控制Cortex-M 0的執(zhí)行與操作，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度保持適溫的目的，控制算法基于數(shù)字PID算法。

1 Cortex-M0

ARM Cortex-M 01處理器是現(xiàn)有的最小、能耗最低和能效最高的 ARM 處理器。該處理器硅面積極小、能耗極低并且所需的代碼量極少，而且是一款32位的R I S C處理器，16位的T h u m b指令集，代碼密度高。高度優(yōu)化的功耗與面積使其更適于低成本，低功耗的場合，中斷現(xiàn)場的自動保護(hù)使得它在進(jìn)入與退出中斷時的軟件開銷降到最低同時具有確定的指令執(zhí)行時間能保證每條指令執(zhí)行的時間總是相同的，從而能達(dá)到一種實(shí)時控制。作為A R M公司的最低端產(chǎn)品，同樣擁有高性價比，穩(wěn)定可靠的特性，由此選用此款芯片并應(yīng)用A R M公司的M D K集成開發(fā)工具，可提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本溫度控制系統(tǒng)是以LPC1111(Cortex-M 0)為控制核心。整個系統(tǒng)的硬件部分包括溫度感知模塊，MCU，I/O設(shè)備，人機(jī)交互接口，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。整個溫度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

溫度感知（溫度數(shù)據(jù)采集）部分采用了DS18B20溫度傳感器，DS18B 20是Dallas 公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器，超小體積，超低硬件開銷，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)。DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出集成于一個芯片上，單總線數(shù)據(jù)通信，二進(jìn)制輸出，分辨率最高可達(dá)12位，檢測溫度范圍為-55～+125℃，具有限溫報警功能。

為實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的冷暖調(diào)節(jié)，以快速高效地達(dá)到適溫，本系統(tǒng)使用Cortex-M 0作控制核心，充分利用其特性，把溫度感知模塊采集的溫度數(shù)據(jù)和通過按鍵設(shè)定的溫度進(jìn)行實(shí)時的比較，將超出允許的差值保存并將之傳送到I/O執(zhí)行設(shè)備中，運(yùn)用PID算法準(zhǔn)確地控制I/O冷暖設(shè)備來進(jìn)行適溫的調(diào)節(jié)。具體的硬件部分包括溫度采集（18B 20），微控制器LPC 1111，交互接口（按鍵與LCD），I/O執(zhí)行設(shè)備。其硬件框圖如圖2所示。

DS18B20通過一根I/O總線來傳送采集的溫度數(shù)據(jù)和接收控制命令，段式LCD實(shí)時顯示采集溫度，調(diào)節(jié)按鍵按下時，LCD顯示設(shè)定溫度并把值傳送到控制器LPC 1111中存儲，以便和采集的溫度進(jìn)行比較，運(yùn)用PID算法計算出的超出允許的差值就可以控制I/O設(shè)備，使其降低或提高冷暖設(shè)備的運(yùn)行功率，平衡差值，使采集溫度和設(shè)定溫度相接近(即允許的范圍內(nèi))，這里我們利用了空氣流動原理，將溫度傳感器和冷暖設(shè)備按室內(nèi)最遠(yuǎn)距離放置，充分起到了平衡調(diào)節(jié)的作用，即是通過這個系統(tǒng)讓室溫自動地達(dá)到需要的溫度（適溫）。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分采用程序模塊化設(shè)計，便于各個功能的調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、溫度數(shù)據(jù)采集與顯示、PID運(yùn)算控制與驅(qū)動執(zhí)行等3個模塊組成。

3.1 主程序模塊

主程序模塊采用循環(huán)查詢直至斷電退出，以達(dá)到溫控系統(tǒng)冷暖自動控制的目的。主程序流程如圖3所示。

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用G P I O端口模擬DS18B 20的單總線來實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時采集直至斷電退出，通過對I/O的讀寫來控制DS18B 20的初始化和各種時序操作。DS18B 20控制子程序按照DS18B 20的單總線通信協(xié)議編制，包括初始化，讀、寫等控制子程序，分別按照相應(yīng)的規(guī)則說明進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。DS18B 20溫度采集子程序流程如圖4所示。

溫度數(shù)據(jù)顯示模塊利用I 2C總線將段式LCD與LPC 1111連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，通過操作I 2C總線來設(shè)置LCD控制寄存器的各種參數(shù)并讀取用戶設(shè)定的值和實(shí)時采集的溫度值，然后送到Cortex-M 0中作運(yùn)算控制處理。其中斷方式設(shè)定溫度和實(shí)時顯示采集溫度的子程序流程如圖5所示。

3.3 PID運(yùn)算控制與驅(qū)動執(zhí)行模塊

PID基本算法： 控制器Cortex-M 0的輸出與設(shè)定值和采集值的誤差成正比，與誤差的積分成正比，與誤差的微分成正比，為三個分量的和，比例調(diào)節(jié)器(P)能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確。積分調(diào)節(jié)器(I)，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。微分調(diào)節(jié)器(D)通過檢測信號的變化率來預(yù)報誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)， 微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時間。因此組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，可有效改善自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：TD為微分時間；e為采集值與設(shè)定值之間的差值；T I為積分時間；KP為運(yùn)算控制的比例系數(shù)。

由于控制器中處理的都是數(shù)字量，通過數(shù)字化處理和數(shù)值變換（以一系列的采樣時刻點(diǎn)k T代替連續(xù)時刻t,以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階向后差分近似代替微分）即

顯然在離散化過程中，要保證有足夠的精度，采樣周期必須足夠短，為了書寫方便，將e(k T)簡化為e(k),省去T，則式（2）代入式(1)可得離散PID表達(dá)式：

式中：k-采樣序號，k=1,2,…;

u(k)-第k次采樣時刻的控制器輸出值；

e(k)-第k次采樣時刻的輸入偏差值；

e(k-1)-第k-1次采樣時刻的輸入偏差值；

kI-積分系數(shù)；kd-微分系數(shù)；

PID控制系統(tǒng)如圖6所示

通過湊試法將PID的比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)等參數(shù)調(diào)整到合適的值。實(shí)際的算法實(shí)現(xiàn)中，PID控制系統(tǒng)的程序流程如圖7所示。

圖7

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于Cortex-M 0的單片機(jī)溫控系統(tǒng)，以自整定PID參數(shù)，閉環(huán)式PID控制算法為基礎(chǔ)，并從應(yīng)用角度出發(fā)，給出了室內(nèi)溫控系統(tǒng)冷熱調(diào)節(jié)的硬，軟件設(shè)計。利用了DS18B 20“單總線”數(shù)字化溫度傳感器，實(shí)時采集室內(nèi)溫度，通過Cortex-M 0控制器調(diào)節(jié)室內(nèi)冷暖設(shè)備功率大小使采集溫度和設(shè)定溫度相接近，運(yùn)行誤差為1℃，達(dá)到了控制室內(nèi)適溫的目的。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行良好，功能穩(wěn)定，可靠。

[1]http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/cortex-m0.php

[2]何梅，陳海波.基于DS18B 20的溫控系統(tǒng)冷熱調(diào)節(jié)設(shè)計.電子設(shè)計工程.V o l.18(4) 2010.4

[3]魏英智，紅偉，張琳，徐寶玉，李海燕.數(shù)字P ID控制算法在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù).N o.17,2010.4

[4]高立兵,康雁林.基于A V R單片機(jī)的P ID溫控系統(tǒng)設(shè)計.工業(yè)控制計算機(jī).V o l.23(4),2010.1

[5]呂長明.稻殼焙燒爐模糊P ID溫控系統(tǒng)方案的研究.大連交通大學(xué).2008.6

Design of indoor temperature control system based on Cortex-M0

Liu Zheng Yuan Guoliang Wang Lifang information Engineering College, Shanghai Maritime University ,Shanghai 200135,China

This paper describes a design of indoor temperaturecontrol system based on a typical chip ARMCortex-M0, analysis the mechanism and principlesfor regulating the the digital PID temperaturecontrol and gives the software design that Cortex-M0 controls indoor heating and cooling equipment toprovide proper temperature with the temperaturesensors(DS18B20) and PID regulator methods

Cortex-M0 ；LPC1111；DS18B20；PID control

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.100

劉政 男 漢族 1986.2.17 河南省信陽市息縣 現(xiàn)就讀于上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院。