1、第十二屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽 第十二屆“挑戰杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 溫度與流量聯動控制系統 目錄1作品摘要11.1使用說明11.2技術特點11.3使用范圍22作品中使用到的器件22.1MSP430單片機22.2溫度傳感器DS18B2052.3LCD1602液晶顯示器62.4步進電機及驅動模塊TB656073作品需要改善的地方891 作品摘要1.1 使用說明 我們制作的溫度與流量聯動控制系統主要是為了達到生物燃料的節能減排，在一定的溫度范圍內,根據生物燃料的燃燒程度，來控制空氣流量的變化，從而達到控制溫度的目的。本系統設計的基本思路如下：通過DS18B20溫度傳感器

2、感應到的溫度反饋給單片機，然后，單片機控制步進電機帶動煙囪內的擋板流量計。當溫度T16時，擋板處于與煙囪平行的位置燃煤充分燃燒；當16T22時溫度每升高0.5擋板正轉7.5°燃煤燃燒的充分程度降低，每降低0.5擋板反轉7.5°燃煤燃燒的充分程度升高；當T22時擋板與煙囪垂直燃煤最不充分燃燒。當單片機斷電后再通電時擋板旋轉至初始化位置，然后再根據溫度做出調整。 值得注意的是，我們設定的溫度范圍是可以通過單片機的程序來設定的，因此可以在不同的溫度環境下使用。1.2 技術特點1) 我們采用的是溫度與流量聯動的控制方式，該方式簡單有效地解決了溫度與流量的矛盾關系。一般來講，溫度高就

3、需要多燒燃料，而多燒燃料勢必會造成對環境的破壞。本系統采用煙氣流量控制，使燃料在點火>半燃燒>充分燃燒的過程中，可以通過溫度需要加以控制，達到節省燃料的目的。2) 本系統比手動脈沖控制的單一流量控制先進，節能效果明顯，系統采用的溫度傳感器為數字傳感器，結構簡單穩定。3) 本系統采用的是低功耗單片機，對供電電源的要求更低，因此也更加的節能。1.3 使用范圍本系統使用的傳感器能夠測量的溫度范圍是-55-125，因此能夠廣泛使用在使用生物燃料的供熱系統中，比如可以使用在供暖中心。2 作品中使用到的器件2.1 MSP430單片機 這一款單片機是TI公司生產的眾多Msp430系列單片機中的一

4、款。內核結構如下：采用RISC精簡指令集，存儲結構屬于哈佛結構，16位字長。即集成了數字電路，也集成了模擬電路。 它的特點如下：1) 處理能力強MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數尋址、4 種目的操作數尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。2) 運算速度快MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現40ns的指令周期。16位的數據寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘

5、加運算）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。3) 超低功耗MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統、鎖頻環（FLL 和FLL+）時鐘系統和DCO數字振蕩器時鐘系統。可以只使用一個晶體振蕩器（32.768kHz）DT-26 OR DT-383 ，也

6、可以使用兩個晶體振蕩器。由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4）。在實時時鐘模式下，可達2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可達0.1A 。4) 片內資源豐富MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI

7、、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D 轉換器；16 位定時器（Timer A 和 Timer B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數、時序發生、PWM等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/1

8、2位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達200kbps ，能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現兩路的 12 位D/A轉換；硬件I2C串行總線接口實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的低功耗狀態時，中斷喚醒只需5s。5) 方便高效的開發環境MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對于 OTP 型和 R

9、OM 型的器件是使用仿真器開發成功之后，可燒寫的掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦除的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和C 語言。2.2 溫度傳感器DS18B20DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8

10、874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。性能描述:1) 獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。2) 測溫范圍 55+125，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1。3) 支持多個地點組網的功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，最多只能并聯8個，實現多點測溫，如果數量過多，會使供

11、電電源電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定。4) 工作電源: 3.05.5V/DC （可以數據線寄生電源）5) 在使用中不需要任何外圍元件6) 測量結果以912位數字方式串行傳送7) 不銹鋼保護管直徑 68) 適用于DN1525, DN40DN250各種介質工業管道和狹小空間設備測溫9) 標準安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選10) PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設備連接。2.3 LCD1602液晶顯示器1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字

12、符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。2.4 步進電機及驅動模塊TB6560 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行

13、的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛

14、應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。TB65660是2相混合式步進電機驅動芯片，內置雙全橋MOSFET驅動，溫度保護及過流保護耐壓，外圍電路簡單。它的優勢在于：電機振動小，噪聲低，可選2,8,16細分，適用于每分鐘從幾轉到幾千轉的要求，驅動的發熱量小，提供多檔電流設置以及電流衰減模式，因此，適用于各種步進電機。與其它高集成度的驅動相比，在相同的高轉速下，力矩不但不會減小，反而相應的會適度增加。3 作品需要改善的地方 雖然我們的模型已經成功地制作了出來，但是由于時間上面的限制，在制作的過程中發現還有許多需要改善的地方。1) 步進電機的對于溫度的響應速度較慢一般來說，單片機的處理速度是比較快