714.單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：本文介紹了一種基于msp430 單片機的溫度測控裝置。該裝置可實現(xiàn)對溫度的測量，并能根據(jù)設(shè)定值對環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控溫的目的?？刂扑惴ɑ跀?shù)字pid算法。引言 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用1。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應(yīng)用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。 本文設(shè)計了一種基于msp430單片機的溫度測量和控制裝置，能對環(huán)境溫度進行測量，并能根據(jù)溫度給定值給出調(diào)

2、節(jié)量，控制執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的目的。1 整體方案設(shè)計 單片機溫度控制系統(tǒng)是以msp430單片機為控制核心。整個系統(tǒng)硬件部分包括溫度檢測系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、a/d轉(zhuǎn)換、單片機、i/o設(shè)備、控制執(zhí)行系統(tǒng)等。單片機溫度控制系統(tǒng)控制框圖如下所示： 溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電壓信號后，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內(nèi)，經(jīng)過低通濾波，濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣后對信號再進行數(shù)字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設(shè)定值進行比較，如果不相符，數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按pid控制算法設(shè)計控制量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢

3、測值高于設(shè)定值，則啟動制冷系統(tǒng)，降低環(huán)境溫度；如果檢測值低于設(shè)定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達到控制溫度的目的。2 溫度信號檢測 本系統(tǒng)中對檢測精度要求不是很高，室溫下即可，所以選用高精度熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻具有靈敏度較高、穩(wěn)定性強、互換精度高的特點。可使放大器電路極為簡單, 又免去了互換補償?shù)穆闊?熱敏電阻具有負的電阻溫度特性,當溫度升高時,電阻值減小,它的阻值溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線,非線性度較大。而對于本設(shè)計，因為溫度要求不高，是在室溫環(huán)境下，熱敏電阻的阻值與環(huán)境溫度基本呈線性關(guān)系2，這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值。 給熱敏電阻通以恒定的電流，可得到

4、電阻兩端的電壓，根據(jù)與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)t0 以及特性系數(shù)k，可得下式tt0-kv(t) (1)式中t為被測溫度。根據(jù)上式，可以把電阻值隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓值隨溫度變化的關(guān)系,由于熱敏電阻的電信號一般都是毫伏級，必須經(jīng)過放大，將熱敏電阻測量到的電信號轉(zhuǎn)化為03.6之間，才能在單片機中使用。下圖為放大電路原理圖。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為1.5v。 由于傳感器輸出微弱的模擬信號，當信號中存在環(huán)境干擾時，干擾信號也被同時放大，影響檢測的精度，需用濾波電路對先對模擬信號進行處理，以提高信號的抗干擾能力。本系統(tǒng)采用巴特沃斯二階有源低通濾波電路。選取該巴特沃斯二階有源低通濾波電路的截止頻率fh=10

5、 khz 。3 控制系統(tǒng)設(shè)計3.0 軟件設(shè)計 單片機溫度控制器控制溫度范圍100到400，采用通斷控制，通過改變給定控制周期內(nèi)加熱和制冷設(shè)備的導通和關(guān)斷時間，來提高和降低溫度，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。 軟件設(shè)計中選取控制周期tc 為200(t1c) ，導通時間取pn t1c ，其中pn 為輸出的控制量，pn值介于0200之間， t1 為定時器定時的時間，c為常數(shù)。由上兩式可看出，通過改變t1 定時時間或常數(shù)c，就可改變控制周期tc 的大小。溫度控制器控制的最高溫度為400，當給定溫度超過400時以400計算。圖3為采樣中斷流程圖。 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分使用單片機自帶的12位a/d轉(zhuǎn)換器，能同時實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)

6、換和控制，免去使用專用的轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)處理速度更快，精度更高，使電路簡化。采樣周期為500 s ，當采集完16個點的數(shù)據(jù)以后，設(shè)置標志“nadcflag =1”，通知主程序采集完16個點的數(shù)據(jù)，主程序從全局緩沖區(qū)里讀出數(shù)據(jù)。 為進一步減小隨機信號對系統(tǒng)精度的影響，a/d轉(zhuǎn)換后，用平均值法對采樣值進行數(shù)字濾波。每16個采樣點取一次平均值。然后將計算到的平均值作為測量數(shù)據(jù)進行顯示。同時，按照pid算法，對溫度采樣值和給定值之間的偏差進行控制，得到控制量。采樣全過程完成后就可屏蔽采樣中斷，同時啟動t1定時3，進入控制過程。 溫度值和熱敏電阻的測量值在整個溫度采樣區(qū)間內(nèi)基本呈線性變化，因此在程序中不

7、需要對測量數(shù)據(jù)進行線性校正。msp430的t1定時器中斷作為控制中斷，溫度采樣過程和控制輸出過程采用了互鎖結(jié)構(gòu)，即在進行溫度采樣，溫度值處理和運算等過程時t1不定時，待采樣全過程進行完時再啟動t1定時并同時屏蔽采樣中斷。t1定時開始就進入控制過程，在整個控制過程中都不采樣，直到200(t1c) 定時時間到，要開始新一輪的控制周期。在啟動采樣的同時屏蔽t1中斷。圖4為t1定時中斷流程圖。 圖中，m代表定時器控制周期計數(shù)值，n則表示由調(diào)節(jié)器計算出的控制量。首先判斷控制周期tc是否己經(jīng)結(jié)束。若控制周期tc已結(jié)束(即m=0)，則屏蔽t1定時器中斷，進行新一輪溫度采樣；若控制周期tc還未結(jié)束即m0 ，則

8、開始判斷導通時間是否結(jié)束。若導通時間己結(jié)束(即n=0)，則置輸出控制信號為低，并重新賦常數(shù)c值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務(wù)程序；若導通時間還未結(jié)束(即n 0 )，則置輸出控制信號為高，控制執(zhí)行其間繼續(xù)導通，重新賦常數(shù)c值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務(wù)程序。3.1 數(shù)字pid本文控制算法采用數(shù)字pid 控制，數(shù)字pid 算法表達式如下所示：其中，kp 為比例系數(shù)；ki=kpt/ti 為積分系數(shù)；t 為采樣周期，ti 為積分時間系數(shù)；kd=kptd/t 為微分系數(shù)，td 為微分時間系數(shù)。u(k) 為調(diào)節(jié)器第k次輸出， e(k) 為第k 次給定與反饋偏差。 對于pid 調(diào)節(jié)器，當偏差值輸出

9、較大時，輸出值會很大，可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在實際中，需要對調(diào)節(jié)器的輸出限幅4，即當|u|umax 時，令u=umax 或u=-umax ，或根據(jù)具體情況確定。3.2 溫度調(diào)節(jié) pi 控制器根據(jù)溫度給定值和測量值之間的偏差調(diào)節(jié)，給出調(diào)節(jié)量，再通過單片機輸出pwm 波，調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)相位的相位角，以此來控制執(zhí)行部件的關(guān)斷和開啟時間，達到使溫度升高或降低的目的。隨后整個系統(tǒng)再通過檢測前一階段控制后的溫度，進行近一步的控制修正，最終實現(xiàn)預(yù)期的溫度監(jiān)控目的。4 結(jié)論 本設(shè)計利用單片機低功耗、處理能力強的特點，使用單片機作為主控制器，對室內(nèi)環(huán)境溫度進行監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，具有一定的實用價值和發(fā)展前景。參考文獻1 趙麗娟，邵欣.基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).機械制造，2006，44(