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1、 - 归原人所有，请勿用于商业用途！ 单片机温度控制系统设计 摘要：本文介绍了一种基于 MSP430 单片机的温度测控装置。该装置可实现对温度的测量，并能根据设定值对环境温度进展 调节，实现控温的目的。控制算法基于数字 PI
2、D 算法。 0 引言 温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。 随着电子技术和微型计算机的迅速开展，微机测量和控制技术得到了迅速的开展和广泛的应用[1]。单片机具有处理能强、运行 速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量围广，精度较高。 本文设计了一种基于 MSP430 单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进展测量，并能根据温度给定值给出调节量， 控制执行机构，实现调节环境温度的目的。 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
3、统硬件局部包括温度检测系统、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拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的围，经过低通滤波，滤掉干扰信 号送入单片机。在单片机中对信号进展采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进展数字滤波。单片机将检测到的温度 信息与设定值进展比拟，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按 PID 控制算法设计控制量，触发程序根据控 制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，那么启动制冷系统，降低
4、环境温度；如果检测值低于设定值，那么启动加热系统，提 高环境温度，到达控制温度的目的。 2 温度信号检测 本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具有灵敏度较高、 稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。 热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—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，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度根本呈线性关系[2]，这样可以通过电阻分压简单 更多资料下载：.icdiy. -
5、 word.zl - - 地将温度值转化为电压值。 归原人所有，请勿用于商业用
6、途！ - word.zl - - 给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有
7、关的温度参数 T0 以及特性系数 k，可得下式 T＝T0-kV(t) (1) 式中 T 为被测温度。 根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过 放大，将热敏电阻测量到的电信号转化为 0～3.6 之间，才能在单片机中使用。 下列图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为 1.5V。 由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对 先对模拟信号进展处理，以提高信号的
8、抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低 通滤波电路的截止频率 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围 100℃到 400℃，采用通断控制，通过改变给定控制周期加热和制冷设备的导通和关断时 间，来提高和降低温度，以到达调节温度的目的。 软件设计中选取控制周期 TC 为 200(T1×C) ，导通时间取 Pn ×T1×C ，其中 Pn 为输出的控制量，Pn 值介于 0～200 之 间， T1 为定时器定时的时间，C 为常数。由上两式可看出，通过改变 T1 定时时间或常数 C，就可改变控制
9、周期 TC 的大小。 温度控制器控制的最高温度为 400℃，当给定温度超过 400℃时以 400℃计算。 图 3 为采样中断流程图。 更多资料下载：.icdiy. - word.zl -
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11、 - 归原人所有，请勿用于商业用途！ 数模转换局部使用单片机自带的 12 位 A/D 转换器，能同时实现数模转换和控制，免去使用专用的转换芯片，使系统处理速 度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为 500 μs ，当采集完 16 个点的数据以后，设置标志“nADCFlag =1〞，通知主程序 采集完 16 个点的数据，主程序从全局缓冲区里读出数据。 为进
12、一步减小随机信号对系统精度的影响，A/D 转换后，用平均值法对采样值进展数字滤波。每 16 个采样点取一次平均值。 然后将计算到的平均值作为测量数据进展显示。同时，按照 PID 算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进展控制，得到控制 量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动 T1 定时[3]，进入控制过程。 温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间根本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进展线性校正。 MSP430 的 T1 定时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，即在进展温度采样，温度值处理和 运算等过程时 T1 不定时，待采样全过程进展完时再
13、启动 T1 定时并同时屏蔽采样中断。T1 定时开场就进入控制过程，在整个 控制过程中都不采样，直到 200(T1×C) 定时时间到，要开场新一轮的控制周期。在启动采样的同时屏蔽 T1 中断。 更多资料下载：.icdiy. - word.zl -
14、 - 图 4 为 T1 定时中断流程图。 归原人所有，请勿用于商业用途！ - word.zl -
15、 - 图中，M 代表定时器控制周期计数值，N 那么表示由调节器计算出的控制量。首先判断控制周期 TC 是否己经完毕。假设控制周 期 TC 已完毕(即 M=0)，那么屏蔽 T1 定时器中断，进展新一轮温度采样；假设控制周期 TC 还未完毕〔即 M≠0 〕，那么开场判断导 通时间是
16、否完毕。假设导通时间己完毕(即 N=0)，那么置输出控制信号为低，并重新赋常数 C 值，启动定时器定时，同时退出中断 效劳程序；假设导通时间还未完毕(即 N ≠0 )，那么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，启动定时器 定时，同时退出中断效劳程序。 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
17、k) 为第 k 次给定与反应偏差。 对于 PID 调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，可能导致系统不稳定，所以在实际中，需要对调节器的输出限幅 [4]，即当|u|>umax时，令 u=umax或 u=-umax，或根据具体情况确定。 更多资料下载：.icdiy. - word.zl -
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19、 - 3.2 温度调节 归原人所有，请勿用于商业用途！ - word.zl -
20、 - PI 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出 PWM 波，调节可控硅的触发相位的 相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，到达使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的 温度，进展近一步的控制修正，最终实现
21、预期的温度监控目的。 4 结论 本设计利用单片机低功耗、处理能力强的特点，使用单片机作为主控制器，对室环境温度进展监控。其构造简单、可靠 性较高，具有一定的实用价值和开展前景。 参考文献 [1] 丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造，2006，44(1) 更多资料下载：.icdiy. - word.zl -
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23、 - 归原人所有，请勿用于商业用途！ [2] 开生，郭国法.MCS-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息，2005，(7) [3] 建华，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，2004，148-155 [4] 赖寿宏.微型计算机控制技术.:机械工业，1994:90-95 更多资料下载：.icdiy. - word.zl
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