版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！單片機溫度控制系統設計摘要：本文介紹了一種基于 MSP430單片機的溫度測控裝置。該裝置可實現對溫度的測量，并能根據設定值對環境溫度進行調節，實現控溫的目的。控制算法基于數字 PID 算法。0 引言溫度是工業控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發展，微機測量和控制技術得到了迅速的發展和廣泛的應用1。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優點，應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。本文設計了一種基于 MSP430 單片機的溫度測量和控制裝置，能對環境溫度進行測量，并能根據溫度給定值給出調節量，控制執行機構，實現調節環境溫度的目的。1 整體方案設計單片機溫度控制系統是以 MSP430 單片機為控制核心。整個系統硬件部分包括溫度檢測系統、信號放大系統、A/D 轉換、單片機、I/O 設備、控制執行系統等。單片機溫度控制系統控制框圖如下所示：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范圍內，經過低通濾波，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，如果不相符，數字調節程序根據給定值與測得值的差值按 PID 控制算法設計控制量，觸發程序根據控制量控制執行單元。如果檢測值高于設定值，則啟動制冷系統，降低環境溫度；如果檢測值低于設定值，則啟動加熱系統，提高環境溫度，達到控制溫度的目的。2 溫度信號檢測本系統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、穩定性強、互換精度高的特點。可使放大器電路極為簡單,又免去了互換補償的麻煩。熱敏電阻具有負的電阻溫度特性,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曲線,非線性度較大。而對于本設計，因為溫度要求不高，是在室溫環境下，熱敏電阻的阻值與環境溫度基本呈線性關系2，這樣可以通過電阻分壓簡單更多資料下載：地將溫度值轉化為電壓值。版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！給熱敏電阻通以恒定的電流，可得到電阻兩端的電壓，根據與熱敏電阻特性有關的溫度參數 T0以及特性系數 k，可得下式TT0-kV(t) (1)式中 T 為被測溫度。根據上式，可以把電阻值隨溫度的變化關系轉化為電壓值隨溫度變化的關系,由于熱敏電阻的電信號一般都是毫伏級，必須經過放大，將熱敏電阻測量到的電信號轉化為 03.6 之間，才能在單片機中使用。下圖為放大電路原理圖。穩壓管的穩壓值為 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 控制系統設計3.0 軟件設計單片機溫度控制器控制溫度范圍 100到 400，采用通斷控制，通過改變給定控制周期內加熱和制冷設備的導通和關斷時間，來提高和降低溫度，以達到調節溫度的目的。軟件設計中選取控制周期 TC 為 200(T1C)，導通時間取 Pn T1C，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。由上兩式可看出，通過改變 T1 定時時間或常數 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。更多資料下載：版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！數模轉換部分使用單片機自帶的 12 位 A/D 轉換器，能同時實現數模轉換和控制，免去使用專用的轉換芯片，使系統處理速度更快，精度更高，使電路簡化。采樣周期為 500 s，當采集完 16 個點的數據以后，設置標志“nADCFlag =1”，通知主程序采集完 16 個點的數據，主程序從全局緩沖區里讀出數據。為進一步減小隨機信號對系統精度的影響，A/D 轉換后，用平均值法對采樣值進行數字濾波。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據進行顯示。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間內基本呈線性變化，因此在程序中不需要對測量數據進行線性校正。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構，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。更多資料下載：圖 4 為 T1 定時中斷流程圖。版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！圖中，M 代表定時器控制周期計數值，N 則表示由調節器計算出的控制量。首先判斷控制周期 TC 是否己經結束。若控制周期 TC 已結束(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 還未結束即 M0，則開始判斷導通時間是否結束。若導通時間己結束(即 N=0)，則置輸出控制信號為低，并重新賦常數 C 值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序；若導通時間還未結束(即 N 0 )，則置輸出控制信號為高，控制執行其間繼續導通，重新賦常數 C 值，啟動定時器定時，同時退出中斷服務程序。3.1 數字 PID本文控制算法采用數字 PID 控制，數字 PID算法表達式如下所示：其中，KP為比例系數；KI=KPT/TI為積分系數；T 為采樣周期，TI為積分時間系數；KD=KPTD/T為微分系數，TD 為微分時間系數。u(k)為調節器第 k 次輸出， e(k)為第 k次給定與反饋偏差。對于 PID 調節器，當偏差值輸出較大時，輸出值會很大，可能導致系統不穩定，所以在實際中，需要對調節器的輸出限幅4，即當|u|umax時，令 u=umax或 u=-umax，或根據具體情況確定。更多資料下載：3.2 溫度調節版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！ PI 控制器根據溫度給定值和測量值之間的偏差調節，給出調節量，再通過單片機輸出 PWM波，調節可控硅的觸發相位的相位角，以此來控制執行部件的關斷和開啟時間，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，最終實現預期的溫度監控目的。4 結論本設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，對室內環境溫度進行監控。其結構簡單、可靠性較高，具有一定的實用價值和發展前景。參考文獻1趙麗娟，邵欣.基于單片機的溫度監控系統的設計與實現.機械制造，2006，44(1)更多資料下載：版權歸原版權人所有，請勿用于商業用途！