單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、微控制器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種基于MSP430單片機(jī)的溫度測控裝置。該裝置可測量溫度，并可根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，從而達(dá)到控溫的目的?？刂扑惴ɑ跀?shù)字PID算法。引言溫度是工業(yè)控制中的主要控制參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等行業(yè)，起著舉足輕重的作用。隨著電子技術(shù)和微機(jī)的飛速發(fā)展，微機(jī)測控技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用1。該單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。它用于溫度測量和控制?？刂坪唵畏奖?，測量范圍寬，精度高。本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的溫度測控裝置，可以測量環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度給定值提供調(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

2、的。 .1 總體方案設(shè)計(jì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心。整個(gè)系統(tǒng)的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(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：溫度傳感器將溫度信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號后，將電壓信號放大到單片機(jī)可以處理的范圍，經(jīng)過低通濾波，濾除干擾信號，送至單片機(jī)。信號在單片機(jī)中采樣。為了進(jìn)一步提高測量精度，采樣后對信號進(jìn)行數(shù)字濾波。單片機(jī)將檢測到的溫度信息與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果不匹配，則數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)PID控制算法根據(jù)給定值與測量值的差值設(shè)計(jì)控制值，觸發(fā)程序根據(jù)控制值控制執(zhí)行單元。若檢測值高于設(shè)定值，則啟動制冷系統(tǒng)降低環(huán)境溫度；若檢

3、測值低于設(shè)定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達(dá)到控溫目的。2 溫度信號檢測本系統(tǒng)對檢測精度要求不是很高，可以在常溫下，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高、穩(wěn)定性強(qiáng)、互換性高等特點(diǎn)。放大電路可以極其簡單，免去交流補(bǔ)償?shù)穆闊?。熱敏電阻具有?fù)電阻-溫度特性。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值減小，其電阻-溫度特性曲線是具有較大非線性的指數(shù)曲線。對于本設(shè)計(jì)，由于溫度要求不高，熱敏電阻的阻值在室溫下與環(huán)境溫度基本呈線性關(guān)系2，因此可以通過電阻分壓器將溫度值簡單轉(zhuǎn)換為電壓值.對熱敏電阻施加恒定電流，即可獲得電阻兩端的電壓。根據(jù)與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)T0和特性系數(shù)k，可以得到下式T=T0-

4、kV (t) (1)其中T為被測溫度。根據(jù)上式，可以將電阻值與溫度的關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓值與溫度的關(guān)系。由于熱敏電阻的電信號一般為毫伏級，因此必須對其進(jìn)行放大才能轉(zhuǎn)換熱敏電阻測得的電信號。轉(zhuǎn)換為0到3.6之間，可用于單片機(jī)。下圖是放大電路的示意圖。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為1.5V。由于傳感器輸出的是微弱的模擬信號，當(dāng)信號中存在環(huán)境干擾時(shí)，干擾信號也會同時(shí)被放大，影響檢測的準(zhǔn)確性。需要先用濾波電路對模擬信號進(jìn)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。選擇巴特沃斯二階有源低通濾波器電路的截止頻率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范圍為100

5、400 ，采用開關(guān)控制，通過改變加熱和冷卻設(shè)備的開關(guān)時(shí)間來升高和降低溫度。給定控制周期，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在軟件設(shè)計(jì)中，控制周期TC選擇為200（T1C），導(dǎo)通時(shí)間為PnT1C，其中Pn為輸出控制量，Pn取值在0200之間， T1 是定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間。 , C 是一個(gè)常數(shù)。從以上兩個(gè)公式可以看出，控制周期TC的大小可以通過改變T1定時(shí)時(shí)間或常數(shù)C來改變。溫控器控制的最高溫度為400 ，當(dāng)給定溫度超過400 時(shí)，按400 計(jì)算。圖3是采樣中斷的流程圖。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用單片機(jī)自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換和控制，無需使用專用轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)更快，更準(zhǔn)確，并簡化電路。采樣周期為

6、500 s。采集完16個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，設(shè)置標(biāo)志“nADCFlag = 1”，通知主程序16個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完畢，主程序從全局緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步降低隨機(jī)信號對系統(tǒng)精度的影響，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，采用平均值法對采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波。每 16 個(gè)采樣點(diǎn)取平均值。然后將計(jì)算出的平均值顯示為測量數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)PID算法，控制溫度采樣值與給定值的偏差，得到控制值。整個(gè)采樣過程完成后，可以屏蔽采樣中斷，同時(shí)啟動T1時(shí)序3，進(jìn)入控制過程。熱敏電阻的溫度值和實(shí)測值在整個(gè)溫度采樣間隔內(nèi)基本呈線性變化，因此程序中無需對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性校正。 MSP430 的 T1 定時(shí)器中斷用作控制中斷。溫度采樣過程和控制

7、輸出過程采用互鎖結(jié)構(gòu)，即T1在溫度采樣、溫度值處理和計(jì)算過程中不計(jì)時(shí)，在整個(gè)采樣過程完成后重新啟動。 T1 同時(shí)定時(shí)屏蔽采樣中斷?？刂七^程從T1時(shí)刻開始，整個(gè)控制過程中不進(jìn)行采樣，直到達(dá)到200(T1C)的時(shí)間，開始新一輪的控制周期。開始采樣時(shí)屏蔽 T1 中斷。圖4是T1時(shí)序中斷的流程圖。圖中，M代表定時(shí)器控制周期計(jì)數(shù)值，N代表調(diào)節(jié)器計(jì)算的控制量。首先，判斷控制期間TC是否結(jié)束。如果控制周期TC已經(jīng)結(jié)束（即M=0），則屏蔽T1定時(shí)器中斷，進(jìn)行新一輪的溫度采樣；如果控制周期TC沒有結(jié)束（即M0），則開始判斷導(dǎo)通時(shí)間是否結(jié)束。如果導(dǎo)通時(shí)間已經(jīng)結(jié)束（即N=0），則設(shè)置輸出控制信號為低電平，重新賦值常

8、數(shù)C值，啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，退出中斷服務(wù)程序；如果導(dǎo)通時(shí)間還沒有結(jié)束（即N0），則設(shè)置輸出控制信號為高電平，在控制執(zhí)行過程中繼續(xù)導(dǎo)通，重新賦值常數(shù)C值，啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，退出中斷服務(wù)程序同時(shí)進(jìn)行。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：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)是調(diào)節(jié)器的第k個(gè)輸出，e(k)是第k個(gè)給定和反饋偏差。對于 PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出的偏差值很大時(shí)，輸出值會很大，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此在實(shí)踐中，需要限制調(diào)節(jié)器的輸出4 ，即當(dāng)

9、|u|u max時(shí)，令u=u max或u=-u max ，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)溫度給定值與測量值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，給出調(diào)節(jié)量，然后通過單片機(jī)輸出PWM波來調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)相的相位角，從而控制執(zhí)行部分。關(guān)閉和開啟時(shí)間，以達(dá)到升高或降低溫度的目的。然后整個(gè)系統(tǒng)在前一階段控制后通過檢測溫度進(jìn)一步控制修正，最終達(dá)到預(yù)期的溫度監(jiān)測目的。4 結(jié)束語本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)低功耗、處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以單片機(jī)作為主控制器對房間的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有一定的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1 李娟，邵欣基于單片機(jī)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造, 2006, 44(

10、1) 2 凱盛, 郭國發(fā). MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。微機(jī)信息，2005，(7) 3 建華，燕琴，翟曉樹。 MSP430系列16位超低功耗微控制器原理及應(yīng)用。清華大學(xué), 2004, 148-155 4 賴守紅.微機(jī)控制技術(shù)：機(jī)械工業(yè)，1994：90-95MCS-51單片機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)2009-10-13 16:16摘要：本文從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并簡要介紹了硬件原理圖和程序框圖。關(guān)鍵詞：MCS-51微控制器；溫度;軟硬件;硬件示意圖；程序框圖；設(shè)計(jì)0 前言在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流量和開關(guān)量都是常用的主要控制參數(shù)

11、。例如，在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙工業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域，人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行檢測和控制。使用MCS-51單片機(jī)控制溫度，不僅具有控制方便、配置簡單、靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大大提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)控制溫度是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能得到其他事實(shí)和類比推論的效果。1 硬件電路設(shè)計(jì)以熱電偶為檢測元件的單片機(jī)溫控系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。 1.1 溫度檢測與變送器 溫度檢測元件和變送器的選擇與被控溫度的范圍和精度有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0-1000的溫度檢測范圍，對

12、應(yīng)的輸出電壓為0mV-41.32mV。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于將熱電偶輸出的0mV-41.32mV轉(zhuǎn)換成4mA-20mA的電流；電流/電壓變送器用于轉(zhuǎn)換毫伏電壓變送器輸出的4mA-20mA電流轉(zhuǎn)換成0-5V的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進(jìn)行零位偏移。例如：如果溫度測量范圍為500C-1000C，熱電偶輸出為20.6mV-41.32mV，毫伏變送器輸出零點(diǎn)遷移后的4mA-20mA周圍電流。這樣，使用8位A/D轉(zhuǎn)換器可以使量化溫度達(dá)到1.96以上。 1.2 接口電路接口電路采用MCS-51系列單片機(jī)8031、外設(shè)擴(kuò)展并行接口8155、程序存儲器EPROM276

13、4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809等芯片。從圖1可以看出，當(dāng)P2.0=0，P2.1=0時(shí)，8155選擇其RAM工作；當(dāng) P2.0=1 且 P2.1=0 時(shí)，8155 選擇其三個(gè) I/O 口工作。對應(yīng)的地址分配為： 0000H - 00FFH 8155 RAM 0100H 命令/狀態(tài)端口0101H A 端口0102H B 端口0103H C 端口0104H 定時(shí)器低 8 位端口0105H 定時(shí)器高 8 位端口8155 用作鍵盤/LED 顯示接口電路.圖 2 中的鍵盤有 30 個(gè)按鍵，分為六行（L0-L5）和五列（R0-R4）。只要按下一個(gè)鍵，就會連接相應(yīng)的行和列線。圖中的30個(gè)按鍵分為三類：一類是數(shù)字

14、鍵0-9，共10個(gè)；二是18個(gè)功能鍵；第三個(gè)是剩下的兩個(gè)鍵，可以定義或設(shè)置為復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性，降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。 A口接所有LED的八段引線，每個(gè)LED的控制端G接8155的C口，所以A口是字形口，C口是字位口。顯示字符。圖1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖圖2 8155用作鍵盤/LED顯示接口電路。 2764 是 8K EPROM 類型的設(shè)備。 8031的PSEN接2764的OE，P2.5接CE，所以2764的地址空間為：0000H-1FFFH，ADC0809的通道0（IN0其他輸入端可做備用）接發(fā)射器的輸出端，所以從通道0（IN0）輸入的0V-+5V左右的

15、模擬電壓可以通過程序從P0口經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由8031輸入到它的部分RAM單元，當(dāng)P2.2 =0 and WR= 當(dāng)為0時(shí)，8031可以使ALE和START變?yōu)楦唠娖絹韱覣DC0809；當(dāng) P2.2=0 且 RD=0 時(shí)，8031 可以接收來自 ADC0809 的 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。也就是說，ADC0809可以看成是8031的一個(gè)外部RAM單元，它的地址是03F8H（地址重復(fù)范圍很大）。因此，8031可以通過執(zhí)行以下程序來啟動ADC0809。MOV DPTR,#03F8H MOVX DPTR,A如果8031執(zhí)行以下程序： MOV DPTR,#03F8H MOVX A,DPTR ，則可以從

16、ADC0809輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 1.3溫度控制電路8031的溫度控制是通過三端雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，三端雙向可控硅開關(guān)和電熱絲串聯(lián)在交流220V、50Hz的市電電路中。在給定的時(shí)間T內(nèi)，只要改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，8031就可以改變電熱絲的功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間可以通過觸發(fā)晶閘管柵極上的脈沖來控制。觸發(fā)脈沖由8031軟件在P1.3管腳上產(chǎn)生，經(jīng)過過零同步脈沖同步后，通過光電耦合管和驅(qū)動器輸出送到晶閘管的控制極。3. 溫度控制的算法和框圖圖3主程序框圖3.1 溫度控制算法通常，偏差控制方法用于電阻爐的爐溫控制。偏差控制的原理是先得到被測爐溫到所需爐溫的偏差

17、值，再對偏差值進(jìn)行處理，得到控制信號來調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，實(shí)現(xiàn)對爐子的控制溫度。在工業(yè)上，偏差控制又稱PID控制，是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的控制形式，一般都能取得滿意的效果。 3.2 溫度控制程序框圖 溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 1) 鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示； 2）爐溫采樣、數(shù)字濾波； 3）數(shù)據(jù)處理； 4）超限報(bào)警及處理； 5) PID 計(jì)算、溫標(biāo)轉(zhuǎn)換3.2.1 主程序框圖主程序包括8031 本身的初始化、并行接口8155 的初始化等。一般來說，該程序包括設(shè)置相關(guān)標(biāo)志、清除暫存單元和顯示緩沖區(qū)、T0初始化、CPU開啟中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。 3.2.2 中斷服務(wù)程序框

18、圖 晶閘管觸發(fā)脈沖等 P1.3 引腳上同步觸發(fā)脈沖輸出的寬度由T1 計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制。 8031利用等待T1溢出中斷的空閑時(shí)間（形成P1.3輸出脈沖的頂部寬度）來完成這個(gè)采樣值到顯示值的轉(zhuǎn)換。并將其放入顯示單元緩沖區(qū)并調(diào)用溫度顯示程序。 8031從T1中斷服務(wù)程序返回后可以恢復(fù)場景并返回主程序。 3.2.3 主要子服務(wù)程序框圖主要服務(wù)子程序包括溫度檢測采樣和數(shù)字濾波子程序、有符號雙字節(jié)乘法子程序和標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序，目的是將實(shí)際采樣得到的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成BCD碼形式的溫度值存儲在顯示緩沖區(qū)中以供顯示子程序調(diào)用。圖4 中斷服務(wù)程序框圖對于一般的線性儀器，定標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為： Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0 為初級測量儀器的下限； Am是一次測量儀器的上限； Vx為實(shí)際測量值（工程量）； Vm為儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量； V0 為儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量。4 其他控制算法不同的控制對象有不同的算法。例如，對于熱慣性大、時(shí)滯明顯、耦合性強(qiáng)、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的大型立式淬火爐，可采用人工智能模糊控制算法調(diào)節(jié)電爐的通斷比。淬火爐的加熱元件。對于自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法