基于Cortex-M 0的室内温控系统的设计

刘政 袁国良 王丽芳 上海海事大学信息工程学院，上海 200135

基于Cortex-M 0的室内温控系统的设计

刘政 袁国良 王丽芳 上海海事大学信息工程学院，上海 200135

本文介绍一种典型的基于ARM Cortex-M0芯片室内温控系统的设计方案，分析了数字PID温度控制调节方式的原理与机制，给出了Cortex-M0通过温度传感器(DS18B20)和PID 调节方法控制室内冷暖设备以提供适温的软件设计方案。

Cortex-M0 ；LPC1111；DS18B20；PID 控制

引言

温度是我们生活，工作，以及工业等其他各个领域中主要的环境参数之一，尤其是人体需要的适温。过冷、过热都会影响我们正常的生活和工作，由此控温系统显得异常重要。随着信息技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式技术得到越来越广泛的应用，特别是A R M技术的迅猛发展，无论是在低功耗、低成本，高性能还是在稳定性、高速率等方面都表现得相当出色，A R M芯片Cortex-M 0在单片机微控制低端领域的表现更是突出。

本文设计了一种基于Cortex-M 0单片机的温度感知控制系统，能通过DS18B 20温度传感器感知环境温度，并根据设定温度和环境温度的差值得出调节量，然后通过这个调节量控制Cortex-M 0的执行与操作，实现调节环境温度保持适温的目的，控制算法基于数字PID算法。

1 Cortex-M0

ARM Cortex-M 01处理器是现有的最小、能耗最低和能效最高的 ARM 处理器。该处理器硅面积极小、能耗极低并且所需的代码量极少，而且是一款32位的R I S C处理器，16位的T h u m b指令集，代码密度高。高度优化的功耗与面积使其更适于低成本，低功耗的场合，中断现场的自动保护使得它在进入与退出中断时的软件开销降到最低同时具有确定的指令执行时间能保证每条指令执行的时间总是相同的，从而能达到一种实时控制。作为A R M公司的最低端产品，同样拥有高性价比，稳定可靠的特性，由此选用此款芯片并应用A R M公司的M D K集成开发工具，可提高开发效率，缩短开发周期。

2.系统硬件设计

本温度控制系统是以LPC1111(Cortex-M 0)为控制核心。整个系统的硬件部分包括温度感知模块，MCU，I/O设备，人机交互接口，控制调节系统等。整个温度控制系统框图如图1所示。

温度感知（温度数据采集）部分采用了DS18B20温度传感器，DS18B 20是Dallas 公司生产的一款数字温度传感器，超小体积，超低硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。DS18B20的温度检测与数字数据输出集成于一个芯片上，单总线数据通信，二进制输出，分辨率最高可达12位，检测温度范围为-55～+125℃，具有限温报警功能。

为实现对室内温度的冷暖调节，以快速高效地达到适温，本系统使用Cortex-M 0作控制核心，充分利用其特性，把温度感知模块采集的温度数据和通过按键设定的温度进行实时的比较，将超出允许的差值保存并将之传送到I/O执行设备中，运用PID算法准确地控制I/O冷暖设备来进行适温的调节。具体的硬件部分包括温度采集（18B 20），微控制器LPC 1111，交互接口（按键与LCD），I/O执行设备。其硬件框图如图2所示。

DS18B20通过一根I/O总线来传送采集的温度数据和接收控制命令，段式LCD实时显示采集温度，调节按键按下时，LCD显示设定温度并把值传送到控制器LPC 1111中存储，以便和采集的温度进行比较，运用PID算法计算出的超出允许的差值就可以控制I/O设备，使其降低或提高冷暖设备的运行功率，平衡差值，使采集温度和设定温度相接近(即允许的范围内)，这里我们利用了空气流动原理，将温度传感器和冷暖设备按室内最远距离放置，充分起到了平衡调节的作用，即是通过这个系统让室温自动地达到需要的温度（适温）。

3．系统软件设计

软件部分采用程序模块化设计，便于各个功能的调试和实现。系统软件程序主要由主程序、温度数据采集与显示、PID运算控制与驱动执行等3个模块组成。

3.1 主程序模块

主程序模块采用循环查询直至断电退出，以达到温控系统冷暖自动控制的目的。主程序流程如图3所示。

3.2 温度数据采集与显示模块

温度数据采集模块采用G P I O端口模拟DS18B 20的单总线来实现温度数据的实时采集直至断电退出，通过对I/O的读写来控制DS18B 20的初始化和各种时序操作。DS18B 20控制子程序按照DS18B 20的单总线通信协议编制，包括初始化，读、写等控制子程序，分别按照相应的规则说明进行编程实现。DS18B 20温度采集子程序流程如图4所示。

温度数据显示模块利用I 2C总线将段式LCD与LPC 1111连接实现数据的可靠传输，通过操作I 2C总线来设置LCD控制寄存器的各种参数并读取用户设定的值和实时采集的温度值，然后送到Cortex-M 0中作运算控制处理。其中断方式设定温度和实时显示采集温度的子程序流程如图5所示。

3.3 PID运算控制与驱动执行模块

PID基本算法： 控制器Cortex-M 0的输出与设定值和采集值的误差成正比，与误差的积分成正比，与误差的微分成正比，为三个分量的和，比例调节器(P)能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确。积分调节器(I)，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。微分调节器(D)通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应， 微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间。因此组成比例、积分、微分(PID)调节器，可有效改善自动控制系统的动态性能，其控制规律的数学表达式为：

式中：TD为微分时间；e为采集值与设定值之间的差值；T I为积分时间；KP为运算控制的比例系数。

由于控制器中处理的都是数字量，通过数字化处理和数值变换（以一系列的采样时刻点k T代替连续时刻t,以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶向后差分近似代替微分）即

显然在离散化过程中，要保证有足够的精度，采样周期必须足够短，为了书写方便，将e(k T)简化为e(k),省去T，则式（2）代入式(1)可得离散PID表达式：

式中：k-采样序号，k=1,2,…;

u(k)-第k次采样时刻的控制器输出值；

e(k)-第k次采样时刻的输入偏差值；

e(k-1)-第k-1次采样时刻的输入偏差值；

kI-积分系数；kd-微分系数；

PID控制系统如图6所示

通过凑试法将PID的比例系数，积分系数，微分系数等参数调整到合适的值。实际的算法实现中，PID控制系统的程序流程如图7所示。

图7

4 结束语

本文设计了一种基于Cortex-M 0的单片机温控系统，以自整定PID参数，闭环式PID控制算法为基础，并从应用角度出发，给出了室内温控系统冷热调节的硬，软件设计。利用了DS18B 20“单总线”数字化温度传感器，实时采集室内温度，通过Cortex-M 0控制器调节室内冷暖设备功率大小使采集温度和设定温度相接近，运行误差为1℃，达到了控制室内适温的目的。实验证明，该系统操作方便，运行良好，功能稳定，可靠。

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

[2]何梅，陈海波.基于DS18B 20的温控系统冷热调节设计.电子设计工程.V o l.18(4) 2010.4

[3]魏英智，红伟，张琳，徐宝玉，李海燕.数字P ID控制算法在温控系统中的应用.现代电子技术.N o.17,2010.4

[4]高立兵,康雁林.基于A V R单片机的P ID温控系统设计.工业控制计算机.V o l.23(4),2010.1

[5]吕长明.稻壳焙烧炉模糊P ID温控系统方案的研究.大连交通大学.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

刘政 男 汉族 1986.2.17 河南省信阳市息县 现就读于上海海事大学信息工程学院。