單片機溫度控制系統(tǒng)設計說明

1、微控制器溫度控制系統(tǒng)的設計摘要：本文介紹了一種基于MSP430單片機的溫度測控裝置。該裝置可測量溫度，并可根據(jù)設定值調節(jié)環(huán)境溫度，從而達到控溫的目的?？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、機械、石油等行業(yè)，起著舉足輕重的作用。隨著電子技術和微機的飛速發(fā)展，微機測控技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用1。該單片機具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點。它用于溫度測量和控制?？刂坪唵畏奖?，測量范圍寬，精度高。本文設計了一種基于MSP430單片機的溫度測控裝置，可以測量環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度給定值提供調節(jié)量，控制執(zhí)行機構，實現(xiàn)調節(jié)環(huán)境溫度的目

2、的。 .1 總體方案設計單片機溫度控制系統(tǒng)以MSP430單片機為控制核心。整個系統(tǒng)的硬件部分包括溫度檢測系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、A/D轉換、單片機、I/O設備、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：溫度傳感器將溫度信息轉換成模擬電壓信號后，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍，經過低通濾波，濾除干擾信號，送至單片機。信號在單片機中采樣。為了進一步提高測量精度，采樣后對信號進行數(shù)字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設定值進行比較。如果不匹配，則數(shù)字調節(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計控制值，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、測值低于設定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達到控溫目的。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、互換性高等特點。放大電路可以極其簡單，免去交流補償?shù)穆闊?。熱敏電阻具有負電?溫度特性。當溫度升高時，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。對于本設計，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系2，因此可以通過電阻分壓器將溫度值簡單轉換為電壓值.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系轉化為電壓值與溫度的關系。由于熱敏電阻的電信號一般為毫伏級，因此必須對其進行放大才能轉換熱敏電阻測得的電信號。轉換為0到3.6之間，可用于單片機。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，當信號中存在環(huán)境干擾時，干擾信號也會同時被放大，影響檢測的準確性。需要先用濾波電路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)設計3.0 軟件設計單片機溫度控制器控制溫度范圍為100

5、400 ，采用開關控制，通過改變加熱和冷卻設備的開關時間來升高和降低溫度。給定控制周期，從而達到調節(jié)溫度的目的。在軟件設計中，控制周期TC選擇為200（T1C），導通時間為PnT1C，其中Pn為輸出控制量，Pn取值在0200之間， T1 是定時器設定的時間。 , C 是一個常數(shù)。從以上兩個公式可以看出，控制周期TC的大小可以通過改變T1定時時間或常數(shù)C來改變。溫控器控制的最高溫度為400 ，當給定溫度超過400 時，按400 計算。圖3是采樣中斷的流程圖。數(shù)模轉換部分采用單片機自帶的12位A/D轉換器，可同時實現(xiàn)數(shù)模轉換和控制，無需使用專用轉換芯片，使系統(tǒng)更快，更準確，并簡化電路。采樣周期為

6、500 s。采集完16個點的數(shù)據(jù)后，設置標志“nADCFlag = 1”，通知主程序16個點的數(shù)據(jù)已經采集完畢，主程序從全局緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。為了進一步降低隨機信號對系統(tǒng)精度的影響，經過A/D轉換后，采用平均值法對采樣值進行數(shù)字濾波。每 16 個采樣點取平均值。然后將計算出的平均值顯示為測量數(shù)據(jù)。同時，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。整個采樣過程完成后，可以屏蔽采樣中斷，同時啟動T1時序3，進入控制過程。熱敏電阻的溫度值和實測值在整個溫度采樣間隔內基本呈線性變化，因此程序中無需對實測數(shù)據(jù)進行線性校正。 MSP430 的 T1 定時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構，即T1在溫度采樣、溫度值處理和計算過程中不計時，在整個采樣過程完成后重新啟動。 T1 同時定時屏蔽采樣中斷?？刂七^程從T1時刻開始，整個控制過程中不進行采樣，直到達到200(T1C)的時間，開始新一輪的控制周期。開始采樣時屏蔽 T1 中斷。圖4是T1時序中斷的流程圖。圖中，M代表定時器控制周期計數(shù)值，N代表調節(jié)器計算的控制量。首先，判斷控制期間TC是否結束。如果控制周期TC已經結束（即M=0），則屏蔽T1定時器中斷，進行新一輪的溫度采樣；如果控制周期TC沒有結束（即M0），則開始判斷導通時間是否結束。如果導通時間已經結束（即N=0），則設置輸出控制信號為低電平，重新賦值常

8、數(shù)C值，啟動定時器計時，退出中斷服務程序；如果導通時間還沒有結束（即N0），則設置輸出控制信號為高電平，在控制執(zhí)行過程中繼續(xù)導通，重新賦值常數(shù)C值，啟動定時器計時，退出中斷服務程序同時進行。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為積分時間系數(shù)； KD=KPTD/T為微分系數(shù)，TD為微分時間系數(shù)。 u(k)是調節(jié)器的第k個輸出，e(k)是第k個給定和反饋偏差。對于 PID 調節(jié)器，當輸出的偏差值很大時，輸出值會很大，這可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此在實踐中，需要限制調節(jié)器的輸出4 ，即當

9、|u|u max時，令u=u max或u=-u max ，或根據(jù)具體情況確定。3.2 溫度調節(jié)PI控制器根據(jù)溫度給定值與測量值的偏差進行調節(jié)，給出調節(jié)量，然后通過單片機輸出PWM波來調節(jié)晶閘管觸發(fā)相的相位角，從而控制執(zhí)行部分。關閉和開啟時間，以達到升高或降低溫度的目的。然后整個系統(tǒng)在前一階段控制后通過檢測溫度進一步控制修正，最終達到預期的溫度監(jiān)測目的。4 結束語本設計利用單片機低功耗、處理能力強的特點，以單片機作為主控制器對房間的環(huán)境溫度進行監(jiān)測。本實用新型結構簡單，可靠性高，具有一定的實用價值和發(fā)展前景。參考文獻1 李娟，邵欣基于單片機的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)機械制造, 2006, 44(

10、1) 2 凱盛, 郭國發(fā). MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設計。微機信息，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用。清華大學, 2004, 148-155 4 賴守紅.微機控制技術：機械工業(yè)，1994：90-95MCS-51單片機溫控系統(tǒng)設計2009-10-13 16:16摘要：本文從硬件和軟件兩個方面介紹了MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設計思想，并簡要介紹了硬件原理圖和程序框圖。關鍵詞：MCS-51微控制器；溫度;軟硬件;硬件示意圖；程序框圖；設計0 前言在現(xiàn)代工業(yè)生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流量和開關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、電力工程、造紙工業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域，人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行檢測和控制。使用MCS-51單片機控制溫度，不僅具有控制方便、配置簡單、靈活性大的優(yōu)點，而且可以大大提高被控溫度的技術指標，從而大大提高產品的質量和數(shù)量。因此，單片機控制溫度是工業(yè)生產中經常遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能得到其他事實和類比推論的效果。1 硬件電路設計以熱電偶為檢測元件的單片機溫控系統(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。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0-1000的溫度檢測范圍，對

12、應的輸出電壓為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轉換成4mA-20mA的電流；電流/電壓變送器用于轉換毫伏電壓變送器輸出的4mA-20mA電流轉換成0-5V的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進行零位偏移。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遷移后的4mA-20mA周圍電流。這樣，使用8位A/D轉換器可以使量化溫度達到1.96以上。 1.2 接口電路接口電路采用MCS-51系列單片機8031、外設擴展并行接口8155、程序存儲器EPROM276

13、4、模數(shù)轉換器ADC0809等芯片。從圖1可以看出，當P2.0=0，P2.1=0時，8155選擇其RAM工作；當 P2.0=1 且 P2.1=0 時，8155 選擇其三個 I/O 口工作。對應的地址分配為： 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 定時器低 8 位端口0105H 定時器高 8 位端口8155 用作鍵盤/LED 顯示接口電路.圖 2 中的鍵盤有 30 個按鍵，分為六行（L0-L5）和五列（R0-R4）。只要按下一個鍵，就會連接相應的行和列線。圖中的30個按鍵分為三類：一類是數(shù)字

14、鍵0-9，共10個；二是18個功能鍵；第三個是剩下的兩個鍵，可以定義或設置為復位鍵等。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口經過A/D轉換后由8031輸入到它的部分RAM單元，當P2.2 =0 and WR= 當為0時，8031可以使ALE和START變?yōu)楦唠娖絹韱覣DC0809；當 P2.2=0 且 RD=0 時，8031 可以接收來自 ADC0809 的 A/D 轉換的數(shù)字量。也就是說，ADC0809可以看成是8031的一個外部RAM單元，它的地址是03F8H（地址重復范圍很大）。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現(xiàn)的。如圖1所示，三端雙向可控硅開關和電熱絲串聯(lián)在交流220V、50Hz的市電電路中。在給定的時間T內，只要改變晶閘管的導通時間，8031就可以改變電熱絲的功率，從而達到調節(jié)溫度的目的。晶閘管的導通時間可以通過觸發(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管腳上產生，經過過零同步脈沖同步后，通過光電耦合管和驅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，再對偏差值進行處理，得到控制信號來調節(jié)電阻爐的加熱功率，實現(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 溫度控制程序的設計應考慮以下幾點： 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）超限報警及處理； 5) PID 計算、溫標轉換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，該程序包括設置相關標志、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輸出脈沖的頂部寬度）來完成這個采樣值到顯示值的轉換。并將其放入顯示單元緩沖區(qū)并調用溫度顯示程序。 8031從T1中斷服務程序返回后可以恢復場景并返回主程序。 3.2.3 主要子服務程序框圖主要服務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)乘法子程序和標度轉換子程序，目的是將實際采樣得到的二進制值轉換成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用。圖4 中斷服務程序框圖對于一般的線性儀器，定標轉換公式為： 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為實際測量值（工程量）； Vm為儀表上限對應的數(shù)字量； V0 為儀表下限對應的數(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、時滯明顯、耦合性強、難以建立精確數(shù)學模型的大型立式淬火爐，可采用人工智能模糊控制算法調節(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