CANGKAO單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-歸原人所有，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途！單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種基于 MSP430單片機(jī)的溫度測(cè)控裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)展調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控溫的目的?？刂扑惴ɑ跀?shù)字 PID 算法。0 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(jī)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(jì)算機(jī)的迅速開(kāi)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的開(kāi)展和廣泛的應(yīng)用1。單片機(jī)具有處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量與控制方面，控制簡(jiǎn)單方便，測(cè)量圍廣，精度較高。本文設(shè)計(jì)了一種基于 MSP430 單片機(jī)的溫度測(cè)量和控制裝置，能對(duì)環(huán)境

2、溫度進(jìn)展測(cè)量，并能根據(jù)溫度給定值給出調(diào)節(jié)量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的目的。1 整體方案設(shè)計(jì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以 MSP430 單片機(jī)為控制核心。整個(gè)系統(tǒng)硬件局部包括溫度檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)放大系統(tǒng)、A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、I/O 設(shè)備、控制執(zhí)行系統(tǒng)等。單片機(jī)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(hào)后，將電壓信號(hào)放大到單片機(jī)可以處理的圍，經(jīng)過(guò)低通濾波，濾掉干擾信號(hào)送入單片機(jī)。在單片機(jī)中對(duì)信號(hào)進(jìn)展采樣，為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，采樣后對(duì)信號(hào)再進(jìn)展數(shù)字濾波。單片機(jī)將檢測(cè)到的溫度信息與設(shè)定值進(jìn)展比擬，如果不相符，數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)給定值與測(cè)得值的差值按 PID 控制算法設(shè)計(jì)控制

3、量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢測(cè)值高于設(shè)定值，則啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，降低環(huán)境溫度；如果檢測(cè)值低于設(shè)定值，則啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，到達(dá)控制溫度的目的。2 溫度信號(hào)檢測(cè)本系統(tǒng)中對(duì)檢測(cè)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(qiáng)、互換精度高的特點(diǎn)?？墒狗糯笃麟娐窐O為簡(jiǎn)單,又免去了互換補(bǔ)償?shù)穆闊?。熱敏電阻具有?fù)的電阻溫度特性,當(dāng)溫度升高時(shí),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(duì)于本設(shè)計(jì)，因?yàn)闇囟纫蟛桓撸窃谑覝丨h(huán)境下，熱敏電阻的阻值與環(huán)境溫度根本呈線性關(guān)系2，這樣可以通過(guò)電阻分壓簡(jiǎn)單更多資料下載：.icd

4、iy. z-地將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值。歸原人所有，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途！. z-給熱敏電阻通以恒定的電流，可得到電阻兩端的電壓，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(cè)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(hào)一般都是毫伏級(jí)，必須經(jīng)過(guò)放大，將熱敏電阻測(cè)量到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為 03.6 之間，才能在單片機(jī)中使用。下列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(hào)，當(dāng)信號(hào)中存在環(huán)境干擾時(shí)，干擾信號(hào)也被同時(shí)放大，影響檢測(cè)的精度，需用濾波電路對(duì)先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)展處理，

5、以提高信號(hào)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 kHz 。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.0 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)溫度控制器控制溫度圍 100到 400，采用通斷控制，通過(guò)改變給定控制周期加熱和制冷設(shè)備的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，來(lái)提高和降低溫度，以到達(dá)調(diào)節(jié)溫度的目的。軟件設(shè)計(jì)中選取控制周期 TC 為 200(T1×C)，導(dǎo)通時(shí)間取 Pn ×T1×C，其中 Pn為輸出的控制量，Pn 值介于 0200 之間， T1為定時(shí)器定時(shí)的時(shí)間，C 為常數(shù)。由上兩式可看出，通過(guò)改變 T1 定時(shí)時(shí)間或常數(shù) C，就可改變控制周期 TC的大

6、小。溫度控制器控制的最高溫度為 400，當(dāng)給定溫度超過(guò) 400時(shí)以 400計(jì)算。圖 3 為采樣中斷流程圖。更多資料下載：.icdiy. z-. z-歸原人所有，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途！數(shù)模轉(zhuǎn)換局部使用單片機(jī)自帶的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)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(jiǎn)化。采樣周期為 500 s，當(dāng)采集完 16 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以后，設(shè)置標(biāo)志"nADCFlag =1，通知主程序采集完 16 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，主程序從全局緩沖區(qū)里讀出數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步減小隨機(jī)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)精度的影響，A/D 轉(zhuǎn)換后，用平均值法對(duì)采樣值進(jìn)展數(shù)字濾波。每 16 個(gè)采樣點(diǎn)取一

7、次平均值。然后將計(jì)算到的平均值作為測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)展顯示。同時(shí)，按照 PID 算法，對(duì)溫度采樣值和給定值之間的偏差進(jìn)展控制，得到控制量。采樣全過(guò)程完成后就可屏蔽采樣中斷，同時(shí)啟動(dòng) T1 定時(shí)3，進(jìn)入控制過(guò)程。溫度值和熱敏電阻的測(cè)量值在整個(gè)溫度采樣區(qū)間根本呈線性變化，因此在程序中不需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)展線性校正。MSP430 的 T1 定時(shí)器中斷作為控制中斷，溫度采樣過(guò)程和控制輸出過(guò)程采用了互鎖構(gòu)造，即在進(jìn)展溫度采樣，溫度值處理和運(yùn)算等過(guò)程時(shí) T1 不定時(shí)，待采樣全過(guò)程進(jìn)展完時(shí)再啟動(dòng) T1 定時(shí)并同時(shí)屏蔽采樣中斷。T1 定時(shí)開(kāi)場(chǎng)就進(jìn)入控制過(guò)程，在整個(gè)控制過(guò)程中都不采樣，直到 200(T1×C)定

8、時(shí)時(shí)間到，要開(kāi)場(chǎng)新一輪的控制周期。在啟動(dòng)采樣的同時(shí)屏蔽 T1 中斷。更多資料下載：.icdiy. z-圖 4 為 T1 定時(shí)中斷流程圖。歸原人所有，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途！. z-圖中，M 代表定時(shí)器控制周期計(jì)數(shù)值，N 則表示由調(diào)節(jié)器計(jì)算出的控制量。首先判斷控制周期 TC 是否己經(jīng)完畢。假設(shè)控制周期 TC 已完畢(即 M=0)，則屏蔽 T1 定時(shí)器中斷，進(jìn)展新一輪溫度采樣；假設(shè)控制周期 TC 還未完畢即 M0，則開(kāi)場(chǎng)判斷導(dǎo)通時(shí)間是否完畢。假設(shè)導(dǎo)通時(shí)間己完畢(即 N=0)，則置輸出控制信號(hào)為低，并重新賦常數(shù) C 值，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，同時(shí)退出中斷效勞程序；假設(shè)導(dǎo)通時(shí)間還未完畢(即 N 0 )，則置輸出控

9、制信號(hào)為高，控制執(zhí)行其間繼續(xù)導(dǎo)通，重新賦常數(shù) C 值，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，同時(shí)退出中斷效勞程序。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(dá)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(shí)間系數(shù)；KD=KPTD/T為微分系數(shù)，TD 為微分時(shí)間系數(shù)。u(k)為調(diào)節(jié)器第 k 次輸出， e(k)為第 k次給定與反應(yīng)偏差。對(duì)于 PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)偏差值輸出較大時(shí)，輸出值會(huì)很大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在實(shí)際中，需要對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出限幅4，即當(dāng)|u|>uma*時(shí)，令 u=uma*或 u=-uma*，或根據(jù)具體情況確定。更多資料下

10、載：.icdiy. z-. z-3.2 溫度調(diào)節(jié)歸原人所有，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途！. z- PI 控制器根據(jù)溫度給定值和測(cè)量值之間的偏差調(diào)節(jié)，給出調(diào)節(jié)量，再通過(guò)單片機(jī)輸出 PWM波，調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)相位的相位角，以此來(lái)控制執(zhí)行部件的關(guān)斷和開(kāi)啟時(shí)間，到達(dá)使溫度升高或降低的目的。隨后整個(gè)系統(tǒng)再通過(guò)檢測(cè)前一階段控制后的溫度，進(jìn)展近一步的控制修正，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度監(jiān)控目的。4 結(jié)論本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)低功耗、處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使用單片機(jī)作為主控制器，對(duì)室環(huán)境溫度進(jìn)展監(jiān)控。其構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠性較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值和開(kāi)展前景。參考文獻(xiàn)1麗娟，邵欣.基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)械制造，2006，44(1)更多資料下載：.icdiy. z-. z-