温度自动控制系统.docx

1、温度自动控制系统温度自动控制系统摘要本系统严格按照题中所定参数及要求，构建了一个以 MSP43单片机为控制核心的温度自 动控制系统。该系统用PSB型负温热敏电阻作为温度传感器，以一种类 R-F的方法测量木盒内 实时温度，单片机用实时温度与预设温度值一起代入 PID算式得出一个温度增量，再用此温度 增量线性的控制PW波的占空比，开关电源的输出电压也会随之变化， 即制冷晶片的输入功率 发生变化，因此制冷晶片制冷（加热）的功率随 PW波占空比变化，达到自动控温的目的。本 系统制冷（加热）效果明显，效率高，界面友好，制作精致，能够胜任题中所定各项要求。关键字：MSP430 PID、温度自动控制、PWM

2、1系统方案1.1系统结构框图与方案描述图1系统框图针对题中所给的各项要求，我们提出了如下方案，用计数法测量热敏电阻的阻值，查表 可得木盒内温度，经增量式 PID算法，计算出实时温度与预设温度之间的 PID增量，然后根据此增量线性的调节PWM波的占空比，用控制场效应管的开关来调节开关电源的输出电压， 从而调节制冷晶片的功率，达到控制封闭木盒内的温度的目的。用红外遥控作输入接口，设 定预设温度，当温度达到预设温度时用发光二极管报警提示，温度曲线及相关信息在 LCD上显示。1.2方案论证1.2.1温度测量方案DS18B20勺测量速度也较快，选择12bit精度时，750ms可转换一次，此时的精度也可达

3、 到0.0625 C,但是DS18B2C在温差较小的降温时，对温度的反应不太敏感，测量温度降得较 慢，这样会严重影响PID温度控制，造成温度过调幅度会很大，温度需较长时间达到稳定。 热敏电阻则对温度的反应灵敏，精度高，完全能够胜任本设计的要求。我们选用热敏电阻测量温度，因此测温的问题就转化为测电阻的问题了。测量电阻的方法有R-V转换电压测量法和R-F转换频率测量法。这两种方法的电路复 杂成本高，并且电路中很多元器件直接影响测量精度，因此不适合在本系统中使用。类R-F转换频率的测量法。其中一种由MSP43单片机引脚输出的高低电平通过热敏电阻 和标准电阻对电容充放电，并由外部输入捕获中断测量充电时

4、间，然后单片机根据测得的时间 和标准电阻阻值计算出热敏电阻的阻值，查表得到温度值。该方案与本系统所用的方案较类 似，但在实际测试当中，其精确度没用现用方案准确，所以没有采用。另一种用 555定时器和热敏电阻等器件构成振荡器，由MSP43单片机测量振荡器的高低脉宽，根据比值查表即可得 到电阻阻值。因为振荡器的频率非常稳定，所以测得的温度精度较高，满足题目要求。1.2.2PID 算法PID算法分为位置式和增量式，位置式PID算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出 均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是 执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的

5、将大幅度变化，会引起执行机构的大幅 度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。我们所采用的增量 式PID算法可以避免这种现象发生。1.2.3制冷工艺题目中要求用10*10*10cm的木盒，起初测试时我们只用一块制冷片，木盒外部用普通 CPU散热片加风扇，木盒内部用小于 2cm的散热片。由于木盒内部没有空气流动，造成内部 温度变化较慢，测试结果不理想。为了加快木盒内部空气流动，我们在内部散热片上加了小 风扇，风向为吹向散热片方向，避免由于冷风造成温度测试不准确。改进后木盒内部温度变 化较快，效果明显。但由于木箱隔热性不好，当温度降到一定程度时，木箱箱体温度降低， 就会从外界

6、吸收热量，影响了制冷效果，在给箱体四周贴上一层较薄隔热层后，问题得到解决。 但温度还是不能达到 5C,经过多次试验后，发现是由于单片制冷片功率不够，于是采用多 片制冷片串联使用，基本达到题目要求。2理论分析与计算2.1温度控制算法2.1.1 PID 算法本系统自动控制温度控制的是采用增量式 PID算法，所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 Auk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时， 可以使用增量式PID控制算法进行控制。图2 PID控制系统原理图常规的模拟PID控制系统原理框图如图2所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 图中，是给定值，y(t)是

7、系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差 e(t)e(t)=r(t)-y(t) 式(1)e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟 PID控制器的 控制规律为u(t) =Kpe(t) ；e(t)dt Td 警Ti dt 式(2)其中:Kp控制器的比例系数Ti 控制器的积分时间，也称积分系数Td控制器的微分时间，也称微分系数对式（2）进行离散化处理：以T作为采样周期，作为采样序号，则离散采样时间对应着连续 时间，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换：式（3）t : kT ，(k =0,1,2)t k ke(

8、t)dt : T e(jT)二T 勺0 j ：0 Jz0de(t) e(kT)-e(k-1)T eek 1 as =： dt T T上式中，为了表示的方便，将类似于 e（kT）简化成ek等。将式（3）代入式（2），就可以得到离散的PID表达式心 Kpek TiJ ej Td ek _ekJj =0 T式（4）其中 k采样序号，k= 0，1，2,;u（k）第k次采样时刻的计算机输出值； ek第k次采样时刻输入的偏差值； ek-i 第k 1次采样时刻输入的偏差值；Ki 积分系数，Ki=Kp*T/Ti ; Kd 微分系数，Kd=Kp*Td/T;增量式PID控制算法可以通过式（4）推导出。由（4）可以

9、得到控制器的第k-1个采样时刻的 输出值为：k A _u（k 1） =Kpek一 q Td 铉 厘 式（5）Ti y T将式（4）与式（5）相减并整理，就可以得到增量式 PID控制算法公式为：Uk 二u(k) _u(k-1) =Kp(ek _eke q |-娴.由JtU控创 诵书电滦方低卡 1000 ifI U I uFPWMOP300hm单片机阿电I iFn LN317图4温度自动控制系统电路电压转换电路根据不同的 PWMfi输出对应电压，进而控制冷晶片的制冷或制热功率，达 到控制小木箱温度的目的。由于场效应管的分布电容较大，因此驱动场效应管的电流不能太小，所以不能直接用 MSP43C单片机

10、的10 口驱动，电路中OP30C用来提高MSP43单片机的负载能力，驱动场效应 管。当制冷晶片全功率工作时，电流会很大，用两个场效应管并联可以分流，减轻每个场效 应管的负荷。LM317是一个可调稳压芯片，输出为5V,提供单片机、高速运放0P300的电源3.2程序设计遥遥5遥遥遥遥遥遥遥6遥遥遥TA0遥遥遥遥遥遥遥遥7遥遥遥TA1遥遥遥遥遥遥遥本系统的控制器采用的是 TI公司的MSP430F24单片机，主要实现的控制有：温度测量 与计算、PID算法处理、PWMfe输出、LCD12864显示控制、继电器控制、红外遥控按键处理 及报警控制等。其流程如图5、图&图7所示。4测试方案与测试结果4.1测试

11、方案及测试条件测试环境：室温：29 C测试器件：带温度测量的数字万用表 表（一）测量参数 、数据 测量、 内容、弋温度 可调 范围（C）分辨 率徑）曲线显 示误差 绝对值徑）10C稳 定时的 波动范 围CC）20 C稳 定时的 波动范 围（C）30 C稳 定时的 波动范 围（C）10C上升至25 C时 间 份）15C上升至30 C时间份）实测结果5-350.011).4.2).4230200标准值5-350.12300300续表（一）测量参数 数 、 据 测量、 内容20C上升至35 C时间份）25 C下降至10C时间份）30 C下降至15C时间份）35 C下降至10C时间份）25 C下降 至

12、10C的 超调量（C）30 C下降 至15C的 超调量（C）15C上升至30 C的超调量（C）实测结果130320245220).5).35).7标准值3003003003003334.2测试结果分析由测试结果可看出，题中的基本要求（1）、（2）、（3）,发挥部分（1）、（3）已经可以完 全胜任，基本（4）和发挥（2）也基本达到要求，在将温时，温度越往下降，降低的速度越 慢，而在升温时，已可以完全达到题目中所定要求。5设计总结在本系统的设计当中，硬件电路并不是很复杂，但开关电源电路需要很大负载电流的设计上，花了一些功夫。软件的设计也没有难点，只是在 PID参数的设定上需要注意。在我们的设计当中

13、，最耗时费力的还是小木盒的制作工艺，题目中对木盒的工艺要求很高，在平时 的学习当中我们在作品的制作工艺也没有多加注意，因此这次系统设计在这方面花费了大量 的时间。附件一：MSP430单片机最小系统板 PCB，适合MSP430F14X、MSP43024x系列附件二：完整电路图热敏电阻K5.WV5. 1Kki、 ,OF300104馬勾迺增强 聖场效应管SOOOuFOK-TLSS4 87 3NE5556C2制冷晶片ADJLM317.AK33Vout VinGND104P4. 1P2. 4P1. 2P6P4- 4-P4, 7MSP430F247FL 1ckta.controlHS0038LCD12864附件三：详细程序流程图 * LCD12864遥遥遥遥遥遥遥遥遥遥遥遥遥 PWM遥_遥遥遥遥遥遥遥 遥measure_over 遥遥遥图1主程序流程图图2 定时器TAO中断程序流程图图3定时器TA1中断程序流程图