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64点温度监测与控制系统的设计

摘要：

单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用,温度是一个系统经常需要测量控制和保持的量,而温度是一个模拟量,不能直接与单片机交换信息,采用适当的技术将

模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。

因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义。

本文主要介绍了以MSP430系列单片机2274、MC14433、AD590等芯片组成的温度检测电路,模/数转换电路,键盘/LCD显示电路,报警电路,信号放大电路；在描述了外围硬件电路的同时,还做了大量的软件工作,包括数据处理软件,PID控制算法。

本设计有效的提高了控制系统的实时性和控制精度大大改善了炉温控制的自动化程度,具有较高的实用价值。

关键词：

MSP430单片机PID算法温度采样温度控制

[Abstract]

Thesinglechipmicrocomputerisrequiredextensivelyinmeasurementandcontrolsystems,andthetemperatureneedtobesurveyed,controlledandmaintainedbyasystemfrequently.Butthetemperatureisananalog,cannotexchangeinformationwiththesinglechipdirectly.Inprinciple,itisnotdifficulttotransformthesimulatedtemperatureintothedigitalquantity,ifadoptingPropertechnique.Butgetstheelectriccircuitmorecomplex,thelostismoreexpensive,andotherquestionscanbemet.Soitisveryimportantforresearchofsinglechiptemperaturecontrol.Thisarticlemainlyintroduced8031ofseriesMSP-430、ADC10、MC14433、AD590、controllablesilicon,whichcomposedtemperaturemeasurementandcontrolcircuit、A/Dtransfercircuit、keyboard/LEDdisplay、signalmagnifyingcircuitalarmingcircuit;Someimportanttechniquesinadesignschemeofthesoftwareofthetemperaturebysingle-chipMicrocomputerareintroducedalso,suchasdateprocessingsoftware,controlalgorithmssoftware.Thissystemenhancesreal-timecharacterofcontrolsystemandcontrolprecisioneffectively,improvestheautomaticdegreeoffurnacetemperatureandhigherpracticevalueKeywords:

Single-chipMicrocomputer,PIDalgorithm,Temperaturesampling,Temperaturecontrol

[Keyword]

MSP-430SINGLE-CHIPTEMPERATURECONTROLSYSTEM

引言

64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

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、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用MSP430单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

本文以它为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。

第一章绪论

1.1选题背景

单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。

本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

第二章方案的比较和论证

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.1温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：

采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

2.2信号采集通道的选择

在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。

方案一、采用多路并行模拟量输入通道。

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）可以根据各输入量测量的饿要求选择不同性能档次的器件。

总体成本可以作得较低。

（2）硬件复杂，故障率高。

（3）软件简单，各通道可以独立编程。

方案二、采用多路分时的模拟量输入通道。

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）对ADC要求高。

（2）处理速度慢。

（3）硬件简单，成本低。

（4）软件比较复杂。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。

图2-1多路并行模拟量输入通道

图2-2多路分时的模拟量输入通道

第三章系统总体设计

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以MSP430基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。

图3-1系统总体框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

（一）信号采集由AD590及多路开关；

（二）信号分析由A/D转换器、单片机MSP430基本系统组成；

（三）信号处理由串行口LCD显示器和报警系统等组成。

3．1信号采集

3.1.1温度传感器

集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。

一．主要特性

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。

根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。

AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。

集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。

图3-2AD590外形（图1）及电路符号（图2）

1、流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

IT/T=1μA/K式中：

IT——流过器件（AD590）的电流，单位μA。

T——热力学温度，单位K。

2、AD590的测温范围-55℃-+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1μA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

4、输出电阻为710MΩ。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

6、AD590的工作原理

　　在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那幺，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

其基本电路如图3-3所示。

图3-3AD590内部核心电路

图3-3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。

因此，电流I1为：

I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与　热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。

图3-4AD590内部电路

图3-4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图3-3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3-3中的T3、T4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

　　T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接防式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11的发射结面积比为8：

1，T10和T11的发射结面积相等。

　　T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：

ΔUBE＝（R6－2R5）I／3R6

上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

　根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显着，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。

二．基本应用电路

图3-8是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使:

V0=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。

图3-5　AD590应用电路

（1）

图3-6AD590应用电路

（2）

3．摄氏温度测量电路

如图3-5所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。

调整方法如下：

在0℃时调整R2，使输出V0=0，然后在100℃时调整R4使V0=100mV。

如此反复调整多次，直至0℃时，V0=0mV，100℃时V0=100mV为止。

最后在室温下进行校验。

例如，若室温为25℃，那幺V0应为25mV。

冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。

图3-7八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口

四.多路检测信号的实现

本设计系统为八路的温度信号采集，而MC14433仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-6所示

3.1.3多路开关

多路开关，有称“多路模拟转换器”。

多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。

反之，当模拟信号有公共输出端输入时，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。

因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。

在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。

我选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。

该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。

CD4051的内部原理框图如图3-9所示。

图3-8、CD4051的内部原理框图　　　

图中功能如下：

通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：

该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。

XCOM（3）：

该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。

A、B、C（11、10、9）：

地址引脚INH（6）：

禁止输入引脚。

若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。

VDD（16）和VSS（8）：

VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。

VGG（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。

CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。

其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下

输入状态

接通

通道

输入状态

接通

通道

INH

均不显示

表3-2

3．2信号分析与处理

3．2．1A/D转换

一．A/D转换器的特点

为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。

由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。

MC14433A/D转换器

由于双积分方法二次积分时间比较长，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。

目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部分是用于数字测量仪器上。

常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135

二．MC14433A/D转换器件简介

MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约1—10次/秒。

在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。

MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。

MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。

转换完的数据以BCD码的形式分四次送出（最高位输出内容特殊，详见表3-3）。

图3-9MC14433A/D转换器的内部逻辑框图

MC14433引脚图

MC14433的框图（图3-10）和引脚（图3-11）功能说明

各引脚的功能如下：

电源及共地端

VDD：

主工作电源+5V。

VEE:

模拟部分的负电源端，接-5V。

VAG：

模拟地端。

VSS：

数字地端。

VR：

基准电压。

外界电阻及电容端

RI：

积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470Ω；VX=200Mv时，R1=27KΩ。

C1：

积分电容输入端。

C1一般为0.1μF。

C01、C02：

外界补偿电容端，电容取值约0.1μF。

R1/C1：

R1与C1的公共端。

CLKI、CLKO：

外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取470KΩ左右。

转换启动/结束信号端

EOC：

转换结束信号输出端，正脉冲有效。

DU：

启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。

过量程信号输出端

/OR：

当|Vx|›VR，过量程/OR输出低电平。

位选通控制线

DS4----DS1：

选择个、十、百、千位，正脉冲有效。

DS1对应千位，DS4对应个位。

每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。

图3-11MC14433选通脉冲时序图

BCD码输出线

Q0---Q3：

BCD码输出线。

其中Q0为最低位，Q3为最高位。

当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-------Q3除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-3

表3-3、DS1选通时Q3～Q0表示的结果

由表可知Q3表示1/2位，Q3=“0”对应1，反之对应0。

Q2表示极性，Q2=“1”为正极性，反之为负极性。

Q0=“1”表示超量程：

当Q3=“0”时，表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程

一．MC14433与MSP430单片机的接口设计

由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0～Q3HEDS1～DS4都不是总线式的。

因此，MSP430单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。

下面是MC14433与MSP430单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如图3-13所示

图3-11MC14433与MSP430单片机P1口直接相连的硬件接口

3.3显示与报警的设计

3.3.1显示电路

在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。

本设计是利用MSP430的串行口实现键盘/显示器接口。

图3-1212864液晶显示电路

当MSP430的串行口未作它用时，使用MSP430的串行口来外扩键盘/显示器。

应用MSP430的串行口方式0的输出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，/显示器接口，其硬件接口电路如图3-12所示：

软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其他事务。

3.3.2报警电路

在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。

其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。

本设计采用峰鸣音报警电路。

峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MSP430的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。

压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。

在图中，P3.2接晶体管基极输入端。

当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

图3-21是一个简单的使用三极管驱动的峰鸣音报警电路：

图3-13三极管驱动的峰鸣音报警电路

本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警，接口位于单片机MSP430的P3.2口，但温湿度过限时，P3.2口被置0，本系统开始工作。

3.4MSP430单片机的发展

MSP430

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