單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計概要

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?數(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

2、給定值給出調(diào)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：電子制作資源網(wǎng)www.ic d iy. c n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 PI

3、D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?？墒狗糯?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，?dāng)溫度升高時，電阻值減小，它的阻值一溫度特 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

4、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)TO以及特性系數(shù)k,可得下式T=TO-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。電子制作資源網(wǎng) Ow ww.ic d iy* c n由于傳感器輸出微弱的模擬信號，當(dāng)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

5、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=1O 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100C到400C,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(dǎo)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(T1 X：，導(dǎo)通時間取Pn T1XC ,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400C,當(dāng)給定溫度超過400C時以400C計算。圖3為采樣中斷流

6、程圖電子制養(yǎng)慢來網(wǎng)Q www J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)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卩當(dāng)采集完16個點的數(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

7、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。電子1H作資源網(wǎng)U www Jc diy,cn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

8、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 博0，則開始判斷導(dǎo)通時 間是否結(jié)束。若導(dǎo)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(dǎo)通時間還未結(jié)束（即N工0則置輸出控 制信號為高，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電子制作資源網(wǎng)WWW.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=

9、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(dāng)偏差值輸出較大時,輸出值會很大，可能導(dǎo)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(dāng)|u|u max時，令u=u max或u=-u max, 或根據(jù)具體情況確定。電子劃作Q3.2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(1版權(quán)歸原版權(quán)人所有，請勿用于商