单片机温度控制新版专业系统设计.doc

单片机温度控制系统设计 摘要：本文简介了一种基于MSP430 单片机温度测控装置。该装置可实现对温度测量，并能依照设定值对环境温度进行调节，实现控温目。控制算法基于数字PID算法。引言 温度是工业控制中重要被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具备举足重轻作用。随着电子技术和微型计算机迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速发展和广泛应用1。单片机具备解决能强、运营速度快、功耗低等长处，应用在温度测量与控制方面，控制简朴以便，测量范畴广，精度较高。 本文设计了一种基于MSP430单片机温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能依照温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度目。1 整体方案设计 单片机温度控制系统是以MSP430单片机为控制核心。整个系统硬件某些涉及温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。单片机温度控制系统控制框图如下所示： 温度传感器将温度信息变换为模仿电压信号后，将电压信号放大到单片机可以解决范畴内，通过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。单片机将检测到温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序依照给定值与测得值差值按PID控制算法设计控制量，触发程序依照控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，减少环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度目。2 温度信号检测 本系统中对检测精度规定不是很高，室温下即可，因此选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具备敏捷度较高、稳定性强、互换精度高特点。可使放大器电路极为简朴，又免除了互换补偿麻烦。 热敏电阻具备负电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它阻值温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，由于温度规定不高，是在室温环境下，热敏电阻阻值与环境温度基本呈线性关系2，这样可以通过电阻分压简朴地将温度值转化为电压值。 给热敏电阻通以恒定电流，可得到电阻两端电压，依照与热敏电阻特性关于温度参数T0 以及特性系数k，可得下式TT0-kV(t) (1)式中T为被测温度。依照上式，可以把电阻值随温度变化关系转化为电压值随温度变化关系,由于热敏电阻电信号普通都是毫伏级，必要通过放大，将热敏电阻测量到电信号转化为03.6之间，才干在单片机中使用。下图为放大电路原理图。稳压管稳压值为1.5V。 由于传感器输出薄弱模仿信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同步放大，影响检测精度，需用滤波电路对先对模仿信号进行解决，以提高信号抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选用该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路截止频率fH=10 kHz 。3 控制系统设计3.0 软件设计 单片机温度控制器控制温度范畴100到400，采用通断控制，通过变化给定控制周期内加热和制冷设备导通和关断时间，来提高和减少温度，以达到调节温度目。 软件设计中选用控制周期TC 为200(T1C) ，导通时间取Pn T1C ，其中Pn 为输出控制量，Pn值介于0200之间， T1 为定期器定期时间，C为常数。由上两式可看出，通过变化T1 定期时间或常数C，就可变化控制周期TC 大小。温度控制器控制最高温度为400，当给定温度超过400时以400计算。图3为采样中断流程图。 数模转换某些使用单片机自带12位A/D转换器，能同步实现数模转换和控制，免除使用专用转换芯片，使系统解决速度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为500 s ，当采集完16个点数据后来，设立标志“nADCFlag =1”，告知主程序采集完16个点数据，主程序从全局缓冲区里读出数据。 为进一步减小随机信号对系统精度影响，A/D转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波。每16个采样点取一次平均值。然后将计算到平均值作为测量数据进行显示。同步，按照PID算法，对温度采样值和给定值之间偏差进行控制，得到控制量。采样全过程完毕后就可屏蔽采样中断，同步启动T1定期3，进入控制过程。 温度值和热敏电阻测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因而在程序中不需要对测量数据进行线性校正。MSP430T1定期器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁构造，即在进行温度采样，温度值解决和运算等过程时T1不定期，待采样全过程进行完时再启动T1定期并同步屏蔽采样中断。T1定期开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直到200(T1C) 定期时间到，要开始新一轮控制周期。在启动采样同步屏蔽T1中断。图4为T1定期中断流程图。 图中，M代表定期器控制周期计数值，N则表达由调节器计算出控制量。一方面判断控制周期TC与否己经结束。若控制周期TC已结束(即M=0)，则屏蔽T1定期器中断，进行新一轮温度采样；若控制周期TC尚未结束即M0 ，则开始判断导通时间与否结束。若导通时间己结束(即N=0)，则置输出控制信号为低，并重新赋常数C值，启动定期器定期，同步退出中断服务程序；若导通时间尚未结束(即N 0 )，则置输出控制信号为高，控制执行其间继续导通，重新赋常数C值，启动定期器定期，同步退出中断服务程序。3.1 数字PID本文控制算法采用数字PID 控制，数字PID 算法表达式如下所示：其中，KP 为比例系数；KI=KPT/TI 为积分系数；T 为采样周期，TI 为积分时间系数；KD=KPTD/T 为微分系数，TD 为微分时间系数。u(k) 为调节器第k次输出， e(k) 为第k 次给定与反馈偏差。 对于PID 调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，也许导致系统不稳定，因此在实际中，需要对调节器输出限幅4，即当|u|umax 时，令u=umax 或u=-umax ，或依照详细状况拟定。3.2 温度调节 PI 控制器依照温度给定值和测量值之间偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅触发相位相位角，以此来控制执行部件关断和启动时间，达到使温度升高或减少目。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后温度，进行近一步控制修正，最后实现预期温度监控目。4 结论 本设计运用单片机低功耗、解决能力强特点，使用单片机作为主控制器，对室内环境温度进行监控。其构造简朴、可靠性较高，具备一定实用价值和发展前景。参照文献1 赵丽娟，邵欣.基于单片机温度监控系统设计与实现.机械制造，44(1)2 张开生，郭国法.MCS-51 单片机温度控制系统设计.微计算机信息，(7)3 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，148-1554 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，1994:90-95MCS-51单片机温度控制系统设计-10-13 16:16摘 要：本文从硬件和软件两方面简介了MCS-51单片机温度控制系统设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简捷描述。核心词：MCS-51单片机；温度；软硬件；硬件原理图；程序框图；设计0引言 在当代化工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是惯用重要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热解决炉、反映炉和锅炉中温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不但具备控制以便、组态简朴和灵活性大等长处，并且可以大幅度提高被控温度技术指标，从而可以大大提高产品质量和数量。因而，单片机对温度控制问题是一种工业生产中经常会遇到问题。本文以它为例进行简介，但愿能收到举一反三和触类旁通效果。1硬件电路设计 以热电偶为检测元件单片机温度控制系统电路原理图如图1所示。 1.1 温度检测和变送器 温度检测元件和变送器类型选取与被控温度范畴和精度级别关于。镍铬/镍铝热电偶合用于0-1000温度检测范畴，相应输出电压为0mV-41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器构成：毫伏变送器用于把热电偶输出0mV-41.32mV变换成4mA-20mA电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出4mA-20mA电流变换成0-5V电压。 为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范畴为500-1000，则热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范畴电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96以内。 1.2接口电路 接口电路采用MCS-51系列单片机8031，外围扩展并行接口8155，程序存储器EPROM2764，模数转换器ADC0809等芯片。 由图1可见，在P2.0=0和P2.1=0时，8155选中它内部RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0时，8155选中它内部三个I/O端口工作。相应地址分派为：0000H - 00FFH 8155内部RAM0100H 命令/状态口0101H A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定期器低8位口0105H 定期器高8位口 8155用作键盘/LED显示屏接口电路。图2中键盘有30个按键，提成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某键被按下，相应行线和列线才会接通。图中30个按键分三类：一是数字键0-9，共10个；二是功能键18个；三是剩余两个键，可定义或设立成复位键等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性和减少成本，采用动态扫描显示。A口和所有LED八段引线相连，各LED控制端G和8155C口相连，故A口为字形口，C口为字位口，8031可以通过C口控制LED与否点亮，通过A口显示字符。图1 单片机温度控制系统电路原理图图2 8155用作键盘/LED显示屏接口电路 2764是8K EPROM型器件。8031PSEN和2764OE相连，P2.5和CE相连，因此2764地址空间为：0000H-1FFFH，ADC08090通道（IN0 其她输入端可作备用）和变送器输出端相连，因此从通道0（IN0）上输入0V-+5V范畴模仿电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它内部RAM单元，在P2.2=0和WR=0时，8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作；在P2.2=0和RD=0时，8031可以从ADC0809接受A/D转换后数字量。也就是说ADC0809可以视为8031一种外部RAM单元，地址为03F8H（地址重复范畴很大），因而，8031执行如下程序可以启动ADC0809工作。MOV DPTR，#03F8HMOVX DPTR,A若8031执行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR则可以从ADC0809输入A/D转换后数字量。1.3温度控制电路 8031对温度控制是通过双向可控硅实现。如图一所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8031只要变化可控硅管接通时间即可变化加热丝功率，以达到调节温度目。 可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅控制极上。3. 温度控制算法和程序框图图3 主程序框图 3.1温度控制算法 普通，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。偏差控制原理是先求出实测炉温对所需炉温偏差值，然后对偏差值解决获得控制信号去调节电阻炉加热功率，以实现对炉温控制。在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛一种控制形式，普通都能收到令人满意效果。 3.2温度控制程序框图 温度控制程序设计应考虑如下：1）键盘扫描、键码辨认和温度显示；2）炉温采样、数字滤波；3）数据解决；4）越限报警和解决；5）PID计算、温度标度转换3.2.1主程序框图 主程序涉及8031自身初始化、并行接口8155初始化等等。大体说来，本程序涉及设立关于标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描等程序。3.2.2中断服务程序框图 T0中断服务程序是温度控制系统主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限解决、PID计算和输出可控硅触发脉冲等。P1.3引脚上输出该同步触发脉冲宽度由T1计数器溢出中断控制，8031运用等待T1溢出中断空闲时间（形成P1.3输出脉冲顶宽）完毕把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。8031从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。3.2.3重要子服务程序框图 重要服务子程序涉及温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换子程序目是把实际采样获得二进制值转换成BCD码形式温度值，然后存储到显示缓冲区中，供显示子程序调用。图4中断服务程序框图 对于普通线性仪表来说，标度转换公式为：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0为一次测量仪表下限； Am为一次测量仪表上限；Vx 为实际测量值（工程量）；Vm为仪表上限相应数字量； V0为仪表下限相应数字量。4 其他控制算法 不同控制对象，所采用算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精准数学模型大型立式淬火炉，可以采用人工智能模糊控制算法，通过对淬火炉电热元件通断比调节，实现对炉温自动控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法联合控制方案，实际应用时应灵活运用。5结束语 MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境规定不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，虽然是非电子计算机专业人员，通过学习某些专业基本知识后来也能依托自己技术力量，来开发所但愿单片机应用系统。本文温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中一例，相信读者会依托自己聪颖才智，使单片机应用更加广泛化。参照文献1 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材 北京:清华大学出版社 2 凌玉华.单片机原理与应用系统设计 长沙:中南大学出版社 3 胡汉才.单片机原理及其接口技术 北京:清华大学出版社 19954 徐淑华 程退安 姚万生 .单片机微型机原理及应用 哈尔滨工业大学出版社 1994