基于Cortex-M 0的室內溫控系統的設計

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的室內溫控系統的設計

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芯片室內溫控系統的設計方案，分析了數字PID溫度控制調節方式的原理與機制，給出了Cortex-M0通過溫度傳感器(DS18B20)和PID 調節方法控制室內冷暖設備以提供適溫的軟件設計方案。

Cortex-M0 ；LPC1111；DS18B20；PID 控制

引言

溫度是我們生活，工作，以及工業等其他各個領域中主要的環境參數之一，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，由此控溫系統顯得異常重要。隨著信息技術和微電子技術的迅速發展，嵌入式技術得到越來越廣泛的應用，特別是A R M技術的迅猛發展，無論是在低功耗、低成本，高性能還是在穩定性、高速率等方面都表現得相當出色，A R M芯片Cortex-M 0在單片機微控制低端領域的表現更是突出。

本文設計了一種基于Cortex-M 0單片機的溫度感知控制系統，能通過DS18B 20溫度傳感器感知環境溫度，并根據設定溫度和環境溫度的差值得出調節量，然后通過這個調節量控制Cortex-M 0的執行與操作，實現調節環境溫度保持適溫的目的，控制算法基于數字PID算法。

1 Cortex-M0

ARM Cortex-M 01處理器是現有的最小、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。高度優化的功耗與面積使其更適于低成本，低功耗的場合，中斷現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行時間能保證每條指令執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公司的最低端產品，同樣擁有高性價比，穩定可靠的特性，由此選用此款芯片并應用A R M公司的M D K集成開發工具，可提高開發效率，縮短開發周期。

2.系統硬件設計

本溫度控制系統是以LPC1111(Cortex-M 0)為控制核心。整個系統的硬件部分包括溫度感知模塊，MCU，I/O設備，人機交互接口，控制調節系統等。整個溫度控制系統框圖如圖1所示。

溫度感知（溫度數據采集）部分采用了DS18B20溫度傳感器，DS18B 20是Dallas 公司生產的一款數字溫度傳感器，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的溫度檢測與數字數據輸出集成于一個芯片上，單總線數據通信，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。

為實現對室內溫度的冷暖調節，以快速高效地達到適溫，本系統使用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據和通過按鍵設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執行設備中，運用PID算法準確地控制I/O冷暖設備來進行適溫的調節。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執行設備。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據和接收控制命令，段式LCD實時顯示采集溫度，調節按鍵按下時，LCD顯示設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設備，使其降低或提高冷暖設備的運行功率，平衡差值，使采集溫度和設定溫度相接近(即允許的范圍內)，這里我們利用了空氣流動原理，將溫度傳感器和冷暖設備按室內最遠距離放置，充分起到了平衡調節的作用，即是通過這個系統讓室溫自動地達到需要的溫度（適溫）。

3．系統軟件設計

軟件部分采用程序模塊化設計，便于各個功能的調試和實現。系統軟件程序主要由主程序、溫度數據采集與顯示、PID運算控制與驅動執行等3個模塊組成。

3.1 主程序模塊

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

3.2 溫度數據采集與顯示模塊

溫度數據采集模塊采用G P I O端口模擬DS18B 20的單總線來實現溫度數據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的單總線通信協議編制，包括初始化，讀、寫等控制子程序，分別按照相應的規則說明進行編程實現。DS18B 20溫度采集子程序流程如圖4所示。

溫度數據顯示模塊利用I 2C總線將段式LCD與LPC 1111連接實現數據的可靠傳輸，通過操作I 2C總線來設置LCD控制寄存器的各種參數并讀取用戶設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運算控制與驅動執行模塊

PID基本算法： 控制器Cortex-M 0的輸出與設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，比例調節器(P)能夠反應很快，但不能完全消除靜差，控制不精確。積分調節器(I)，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此積分調節器相當于能自動調節控制常量，消除靜差，使系統趨于穩定。積分器雖然能消除靜差，但使系統響應速度變慢。微分調節器(D)通過檢測信號的變化率來預報誤差，并對誤差的變化作出響應， 微分調節器的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定，同時加快了系統的穩定速度，縮短調整時間。因此組成比例、積分、微分(PID)調節器，可有效改善自動控制系統的動態性能，其控制規律的數學表達式為：

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

由于控制器中處理的都是數字量，通過數字化處理和數值變換（以一系列的采樣時刻點k T代替連續時刻t,以矩形法數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；kd-微分系數；

PID控制系統如圖6所示

通過湊試法將PID的比例系數，積分系數，微分系數等參數調整到合適的值。實際的算法實現中，PID控制系統的程序流程如圖7所示。

圖7

4 結束語

本文設計了一種基于Cortex-M 0的單片機溫控系統，以自整定PID參數，閉環式PID控制算法為基礎，并從應用角度出發，給出了室內溫控系統冷熱調節的硬，軟件設計。利用了DS18B 20“單總線”數字化溫度傳感器，實時采集室內溫度，通過Cortex-M 0控制器調節室內冷暖設備功率大小使采集溫度和設定溫度相接近，運行誤差為1℃，達到了控制室內適溫的目的。實驗證明，該系統操作方便，運行良好，功能穩定，可靠。

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

[2]何梅，陳海波.基于DS18B 20的溫控系統冷熱調節設計.電子設計工程.V o l.18(4) 2010.4

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[5]呂長明.稻殼焙燒爐模糊P ID溫控系統方案的研究.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 現就讀于上海海事大學信息工程學院。