单片机温度控制系统设计说明

1、微控制器温度控制系统的设计摘要：本文介绍了一种基于MSP430单片机的温度测控装置。该装置可测量温度，并可根据设定值调节环境温度，从而达到控温的目的。控制算法基于数字PID算法。引言温度是工业控制中的主要控制参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等行业，起着举足轻重的作用。随着电子技术和微机的飞速发展，微机测控技术得到了迅速的发展和广泛的应用1。该单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。它用于温度测量和控制。控制简单方便，测量范围宽，精度高。本文设计了一种基于MSP430单片机的温度测控装置，可以测量环境温度，并根据温度给定值提供调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目

2、的。 .1 总体方案设计单片机温度控制系统以MSP430单片机为控制核心。整个系统的硬件部分包括温度检测系统、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：温度传感器将温度信息转换成模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围，经过低通滤波，滤除干扰信号，送至单片机。信号在单片机中采样。为了进一步提高测量精度，采样后对信号进行数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较。如果不匹配，则数字调节程序根据PID控制算法根据给定值与测量值的差值设计控制值，触发程序根据控制值控制执行单元。若检测值高于设定值，则启动制冷系统降低环境温度；若检

3、测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控温目的。2 温度信号检测本系统对检测精度要求不是很高，可以在常温下，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高、稳定性强、互换性高等特点。放大电路可以极其简单，免去交流补偿的麻烦。热敏电阻具有负电阻-温度特性。当温度升高时，电阻值减小，其电阻-温度特性曲线是具有较大非线性的指数曲线。对于本设计，由于温度要求不高，热敏电阻的阻值在室温下与环境温度基本呈线性关系2，因此可以通过电阻分压器将温度值简单转换为电压值.对热敏电阻施加恒定电流，即可获得电阻两端的电压。根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0和特性系数k，可以得到下式T=T0-

4、kV (t) (1)其中T为被测温度。根据上式，可以将电阻值与温度的关系转化为电压值与温度的关系。由于热敏电阻的电信号一般为毫伏级，因此必须对其进行放大才能转换热敏电阻测得的电信号。转换为0到3.6之间，可用于单片机。下图是放大电路的示意图。稳压管稳压值为1.5V。由于传感器输出的是微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也会同时被放大，影响检测的准确性。需要先用滤波电路对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选择巴特沃斯二阶有源低通滤波器电路的截止频率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范围为100

5、400 ，采用开关控制，通过改变加热和冷却设备的开关时间来升高和降低温度。给定控制周期，从而达到调节温度的目的。在软件设计中，控制周期TC选择为200（T1C），导通时间为PnT1C，其中Pn为输出控制量，Pn取值在0200之间， T1 是定时器设定的时间。 , C 是一个常数。从以上两个公式可以看出，控制周期TC的大小可以通过改变T1定时时间或常数C来改变。温控器控制的最高温度为400 ，当给定温度超过400 时，按400 计算。图3是采样中断的流程图。数模转换部分采用单片机自带的12位A/D转换器，可同时实现数模转换和控制，无需使用专用转换芯片，使系统更快，更准确，并简化电路。采样周期为

6、500 s。采集完16个点的数据后，设置标志“nADCFlag = 1”，通知主程序16个点的数据已经采集完毕，主程序从全局缓冲区中读取数据。为了进一步降低随机信号对系统精度的影响，经过A/D转换后，采用平均值法对采样值进行数字滤波。每 16 个采样点取平均值。然后将计算出的平均值显示为测量数据。同时，根据PID算法，控制温度采样值与给定值的偏差，得到控制值。整个采样过程完成后，可以屏蔽采样中断，同时启动T1时序3，进入控制过程。热敏电阻的温度值和实测值在整个温度采样间隔内基本呈线性变化，因此程序中无需对实测数据进行线性校正。 MSP430 的 T1 定时器中断用作控制中断。温度采样过程和控制

7、输出过程采用互锁结构，即T1在温度采样、温度值处理和计算过程中不计时，在整个采样过程完成后重新启动。 T1 同时定时屏蔽采样中断。控制过程从T1时刻开始，整个控制过程中不进行采样，直到达到200(T1C)的时间，开始新一轮的控制周期。开始采样时屏蔽 T1 中断。图4是T1时序中断的流程图。图中，M代表定时器控制周期计数值，N代表调节器计算的控制量。首先，判断控制期间TC是否结束。如果控制周期TC已经结束（即M=0），则屏蔽T1定时器中断，进行新一轮的温度采样；如果控制周期TC没有结束（即M0），则开始判断导通时间是否结束。如果导通时间已经结束（即N=0），则设置输出控制信号为低电平，重新赋值常

8、数C值，启动定时器计时，退出中断服务程序；如果导通时间还没有结束（即N0），则设置输出控制信号为高电平，在控制执行过程中继续导通，重新赋值常数C值，启动定时器计时，退出中断服务程序同时进行。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：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)是调节器的第k个输出，e(k)是第k个给定和反馈偏差。对于 PID 调节器，当输出的偏差值很大时，输出值会很大，这可能导致系统的不稳定，因此在实践中，需要限制调节器的输出4 ，即当

9、|u|u max时，令u=u max或u=-u max ，或根据具体情况确定。3.2 温度调节PI控制器根据温度给定值与测量值的偏差进行调节，给出调节量，然后通过单片机输出PWM波来调节晶闸管触发相的相位角，从而控制执行部分。关闭和开启时间，以达到升高或降低温度的目的。然后整个系统在前一阶段控制后通过检测温度进一步控制修正，最终达到预期的温度监测目的。4 结束语本设计利用单片机低功耗、处理能力强的特点，以单片机作为主控制器对房间的环境温度进行监测。本实用新型结构简单，可靠性高，具有一定的实用价值和发展前景。参考文献1 李娟，邵欣基于单片机的温度监测系统的设计与实现机械制造, 2006, 44(

10、1) 2 凯盛, 郭国发. MCS-51单片机温度控制系统的设计。微机信息，2005，(7) 3 建华，燕琴，翟晓树。 MSP430系列16位超低功耗微控制器原理及应用。清华大学, 2004, 148-155 4 赖守红.微机控制技术：机械工业，1994：90-95MCS-51单片机温控系统设计2009-10-13 16:16摘要：本文从硬件和软件两个方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思想，并简要介绍了硬件原理图和程序框图。关键词：MCS-51微控制器；温度;软硬件;硬件示意图；程序框图；设计0 前言在现代工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流量和开关量都是常用的主要控制参数

11、。例如，在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸工业、机械制造和食品加工等诸多领域，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和控制。使用MCS-51单片机控制温度，不仅具有控制方便、配置简单、灵活性大的优点，而且可以大大提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。因此，单片机控制温度是工业生产中经常遇到的问题。本文以它为例进行介绍，希望能得到其他事实和类比推论的效果。1 硬件电路设计以热电偶为检测元件的单片机温控系统电路原理图如图1所示。 1.1 温度检测与变送器 温度检测元件和变送器的选择与被控温度的范围和精度有关。镍铬/镍铝热电偶适用于0-1000的温度检测范围，对

12、应的输出电压为0mV-41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于将热电偶输出的0mV-41.32mV转换成4mA-20mA的电流；电流/电压变送器用于转换毫伏电压变送器输出的4mA-20mA电流转换成0-5V的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零位偏移。例如：如果温度测量范围为500C-1000C，热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器输出零点迁移后的4mA-20mA周围电流。这样，使用8位A/D转换器可以使量化温度达到1.96以上。 1.2 接口电路接口电路采用MCS-51系列单片机8031、外设扩展并行接口8155、程序存储器EPROM276

13、4、模数转换器ADC0809等芯片。从图1可以看出，当P2.0=0，P2.1=0时，8155选择其RAM工作；当 P2.0=1 且 P2.1=0 时，8155 选择其三个 I/O 口工作。对应的地址分配为： 0000H - 00FFH 8155 RAM 0100H 命令/状态端口0101H A 端口0102H B 端口0103H C 端口0104H 定时器低 8 位端口0105H 定时器高 8 位端口8155 用作键盘/LED 显示接口电路.图 2 中的键盘有 30 个按键，分为六行（L0-L5）和五列（R0-R4）。只要按下一个键，就会连接相应的行和列线。图中的30个按键分为三类：一类是数字

14、键0-9，共10个；二是18个功能键；第三个是剩下的两个键，可以定义或设置为复位键等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性，降低成本，采用动态扫描显示。 A口接所有LED的八段引线，每个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。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显示接口电路。 2764 是 8K EPROM 类型的设备。 8031的PSEN接2764的OE，P2.5接CE，所以2764的地址空间为：0000H-1FFFH，ADC0809的通道0（IN0其他输入端可做备用）接发射器的输出端，所以从通道0（IN0）输入的0V-+5V左右的

15、模拟电压可以通过程序从P0口经过A/D转换后由8031输入到它的部分RAM单元，当P2.2 =0 and WR= 当为0时，8031可以使ALE和START变为高电平来启动ADC0809；当 P2.2=0 且 RD=0 时，8031 可以接收来自 ADC0809 的 A/D 转换的数字量。也就是说，ADC0809可以看成是8031的一个外部RAM单元，它的地址是03F8H（地址重复范围很大）。因此，8031可以通过执行以下程序来启动ADC0809。MOV DPTR,#03F8H MOVX DPTR,A如果8031执行以下程序： MOV DPTR,#03F8H MOVX A,DPTR ，则可以从

16、ADC0809输入A/D转换后的数字量。 1.3温度控制电路8031的温度控制是通过三端双向可控硅实现的。如图1所示，三端双向可控硅开关和电热丝串联在交流220V、50Hz的市电电路中。在给定的时间T内，只要改变晶闸管的导通时间，8031就可以改变电热丝的功率，从而达到调节温度的目的。晶闸管的导通时间可以通过触发晶闸管栅极上的脉冲来控制。触发脉冲由8031软件在P1.3管脚上产生，经过过零同步脉冲同步后，通过光电耦合管和驱动器输出送到晶闸管的控制极。3. 温度控制的算法和框图图3主程序框图3.1 温度控制算法通常，偏差控制方法用于电阻炉的炉温控制。偏差控制的原理是先得到被测炉温到所需炉温的偏差

17、值，再对偏差值进行处理，得到控制信号来调节电阻炉的加热功率，实现对炉子的控制温度。在工业上，偏差控制又称PID控制，是工业控制过程中应用最广泛的控制形式，一般都能取得满意的效果。 3.2 温度控制程序框图 温度控制程序的设计应考虑以下几点： 1) 键盘扫描、键码识别和温度显示； 2）炉温采样、数字滤波； 3）数据处理； 4）超限报警及处理； 5) PID 计算、温标转换3.2.1 主程序框图主程序包括8031 本身的初始化、并行接口8155 的初始化等。一般来说，该程序包括设置相关标志、清除暂存单元和显示缓冲区、T0初始化、CPU开启中断、温度显示和键盘扫描等程序。 3.2.2 中断服务程序框

18、图 晶闸管触发脉冲等 P1.3 引脚上同步触发脉冲输出的宽度由T1 计数器的溢出中断控制。 8031利用等待T1溢出中断的空闲时间（形成P1.3输出脉冲的顶部宽度）来完成这个采样值到显示值的转换。并将其放入显示单元缓冲区并调用温度显示程序。 8031从T1中断服务程序返回后可以恢复场景并返回主程序。 3.2.3 主要子服务程序框图主要服务子程序包括温度检测采样和数字滤波子程序、有符号双字节乘法子程序和标度转换子程序，目的是将实际采样得到的二进制值转换成BCD码形式的温度值存储在显示缓冲区中以供显示子程序调用。图4 中断服务程序框图对于一般的线性仪器，定标转换公式为： Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0 为初级测量仪器的下限； Am是一次测量仪器的上限； Vx为实际测量值（工程量）； Vm为仪表上限对应的数字量； V0 为仪表下限对应的数字量。4 其他控制算法不同的控制对象有不同的算法。例如，对于热惯性大、时滞明显、耦合性强、难以建立精确数学模型的大型立式淬火炉，可采用人工智能模糊控制算法调节电炉的通断比。淬火炉的加热元件。对于自动控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法