劉政 袁國良 王麗芳 上海海事大學信息工程學院，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 上海海事大學信息工程學院，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)得相當出色，A R M芯片Cortex-M 0在單片機微控制低端領(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)場的自動保護使得它在進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，從而能達到一種實時控制。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，精度高，附加功能強。DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出集成于一個芯片上，單總線數(shù)據(jù)通信，二進制輸出，分辨率最高可達12位，檢測溫度范圍為-55～+125℃，具有限溫報警功能。

為實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的冷暖調(diào)節(jié)，以快速高效地達到適溫，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)定的溫度進行實時的比較，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，運用PID算法準確地控制I/O冷暖設(shè)備來進行適溫的調(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行比較，運用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的單總線來實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實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)則說明進行編程實現(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)定的值和實時采集的溫度值，然后送到Cortex-M 0中作運算控制處理。其中斷方式設(shè)定溫度和實時顯示采集溫度的子程序流程如圖5所示。

3.3 PID運算控制與驅(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)學表達式為：

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。實際的算法實現(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，運行誤差為1℃，達到了控制室內(nèi)適溫的目的。實驗證明，該系統(tǒng)操作方便，運行良好，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單片機的P ID溫控系統(tǒng)設(shè)計.工業(yè)控制計算機.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.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信息工程學院。