單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計說明

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，測量圍廣，精度較高。    本文設(shè)

2、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)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圍，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

3、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?？墒狗糯笃麟娐窐O為簡單, 又免去了互換補償?shù)穆闊?#160;   熱敏電阻具有負的電阻溫度特性

4、,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 以與特性系數(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

5、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 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圍100到400，采用通斷控制，通過改變給定控制周期加熱和制冷設(shè)備的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，來提高和降低溫度，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。   

6、 軟件設(shè)計中選取控制周期TC 為200(T1×C) ，導(dǎo)通時間取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)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

7、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T

8、1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(T1×C) 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

9、結(jié)束即M0 ，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 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： 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。

10、60;   對于PID 調(diào)節(jié)器，當偏差值輸出較大時，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|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 &

11、#160;  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 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)2 開生，郭國法.MCS-51 單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.微計算機信息，2005，(7)3 建華，艷琴，翟驍曙.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應(yīng)用.清華大學(xué)，2004，148-1554 賴壽宏.微型計算機控制技術(shù).:機械工業(yè)，1994:90-95MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計2009-10-13 16:16摘 

12、;    要：本文從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述。關(guān)鍵詞：MCS-51單片機；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設(shè)計0引言       在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)

13、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。1硬件電路設(shè)計       以熱電偶為檢測元件的單片機溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。       1.1 溫度檢測和變送器       溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的圍和精度等級有關(guān)。鎳鉻/

14、鎳鋁熱電偶適用于0-1000的溫度檢測圍，相應(yīng)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：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0mV-41.32mV變換成4mA-20mA的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的4mA-20mA電流變換成0-5V的電壓。       為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。例如：若溫度測量圍為500-1000，則熱電偶輸出為20.6mV-41.32mV，毫伏變送器零點遷移后輸出4mA-20mA圍電流

15、。這樣，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可使量化溫度達到1.96以。     1.2接口電路       接口電路采用MCS-51系列單片機8031，外圍擴展并行接口8155，程序存儲器EPROM2764，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809等芯片。       由圖1可見，在P2.0=0和P2.1=0時，8155選中它部的RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0時，8155選中它部的三個I/O端口工作。相應(yīng)的地址分配為：0000H - 00FFH 

16、;       8155部RAM0100H               命令/狀態(tài)口0101H        A 口0102H        B 口0103H        C 口0104H

17、               定時器低8位口0105H       定時器高8位口       8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路。圖2中鍵盤有30個按鍵，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會接通。圖中30個按鍵分三類：一是數(shù)字鍵0-9，共10個；二是功能鍵18個；三是剩余兩個鍵，可定義或設(shè)置

18、成復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。A口和所有LED的八段引線相連，各LED的控制端G和8155C口相連，故A口為字形口，C口為字位口，8031可以通過C口控制LED是否點亮，通過A口顯示字符。圖1     單片機溫度控制系統(tǒng)電路原理圖圖2     8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路       2764是8K     EPROM型器件。8031的PSEN和2764的OE相連

19、，P2.5和CE相連，所以2764的地址空間為：0000H-1FFFH，ADC0809的0通道（IN0     其他輸入端可作備用）和變送器的輸出端相連，所以從通道0（IN0）上輸入的0V-+5V圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由8031通過程序從P0口輸入到它的部RAM單元，在P2.2=0和WR=0時，8031可使ALE和START變?yōu)楦唠娖蕉鴨覣DC0809工作；在P2.2=0和RD=0時，8031可以從ADC0809接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。也就是說ADC0809可以視為8031的一個外部RAM單元，地址為03F8H（地址重復(fù)圍很大），因此，8031

20、執(zhí)行如下程序可以啟動ADC0809工作。MOV DPTR，#03F8HMOVX DPTR,A若8031執(zhí)行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR則可以從ADC0809輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。1.3溫度控制電路       8031對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的。如圖一所示，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz市電回路。在給定周期T，8031只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。       可控硅接通時

21、間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，在過零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動器輸出送到可控硅的控制極上。3. 溫度控制的算法和程序框圖圖3 主程序框圖     3.1溫度控制算法       通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱PID控制，這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的

22、效果。     3.2溫度控制程序框圖      溫度控制程序的設(shè)計應(yīng)考慮如下：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）越限報警和處理；5）PID計算、溫度標度轉(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初始化等等。大體說來，本程序包括設(shè)置有關(guān)標志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、T0初始化、CPU開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。3.2.2中斷服務(wù)程序框圖 

23、60;     T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報警和越限處理、PID計算和輸出可控硅的觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷的空閑時間（形成P1.3輸出脈沖頂寬）完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8031從T1中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場和返回主程序。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與數(shù)字濾波子程序、帶符號雙字節(jié)乘法子程序和標度轉(zhuǎn)換子程序目的是把實際采樣取得的二進制值轉(zhuǎn)換成BCD碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)中，供顯示