基于MSP430单片机的恒温烘箱温度控制系统

基于 MSP430 单片机的恒温烘箱温度控制系统 王晓雷 吴必瑞 王东云 蒋群 (中原工学院电子信息学院，河南 郑州 450007) 摘要： 针对纺织品检测中采用水银接触温度计进行温度控制的恒温烘箱存在的问题， 介绍了 一种基于 MSP430 单片机的智能温度控制系统。MSP430 单片机根据铂电阻测量的温度值， 然后执行 PID 控制，其输出控制量，经光电隔离和放大，控制可控硅的导通角，使恒温烤 箱的温度达到理想的设计值。 关键词：恒温烘箱；MSP430；铂电阻；PID 控制 中图分类号：TP273 文献标识码：B Temperature Control System of Constant Temperature Oven based on MSP430 Wang Xiaolei Wu Birui Jiang Qun Wang Dongyun (Zhongyuan University of Technology , Zhengzhou 450007, China) Abstract: In order to solve the problem in the testing of textile sheets that adopt mercury contact thermometer to realize the temperature control of constant temperature oven ,this paper introduces a intellectual temperature control system .The MSP430 computes a temperature value deviation according to the measured temperature value, then carry on a PID control,meanwhile, the output control quantity through phototube coupling and enlarge, to control the angle of flow of silicon controlled rectifier to attain an ideal design value of constant temperature oven . Key words: Constant Temperature Oven; MSP430; Platinum Resistance; PID control 0 引 言 温度在工业控制中是个很重要的参数，特别是在冶金、石油、纺织等工厂中。烘箱是纺 织企业进行纺织原料、半成品、成品回潮率检测及定量控制的一种恒温烘燥设备。其中，烘 箱温度的是影响测试结果的关键因素之一。因此，在测试过程中，对烘箱内温度变化范 围有严格的规定。但是，现有的常规型烘箱采用的是简单的位式调节控温、点接触水银温度 计传感器的方式，控温精度差、效率低、温度设定、显示不简明、操作使用不方便。由于升 温过程中始终采用全功率、全压给电阻供电，因此受电阻丝热惯性的影响，升温和降温都有 较大偏差，其温差偏值有时可达±5℃，不能很好的满足应用需要[1]。 美国 TI 公司生产的 MSP430 系列单片机，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片 机，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。本文采用 MSP430F449 单片机作为控制 系统的核心，实现温度采集、检测和控制。控制部分由 MSP430 单片机通过软件执行 PID 控制，求出其输出控制量，通过光电隔离和功率放大，控制双向可控硅的导通角，使恒温烤 箱的温度达到理想的设计值。 1 系统结构设计方案 本温控系统以 MSP430F449 主控制器件， MSP430F449 是 TI 公司最近推出的具有极高性 价比的 16 位 MCU 具有功耗低、 存储容量大、 集成度高、 在线支持性强等特点。 MSP430F449 属于一种中低端的单片机，运用非常灵活，具有 2K 字节的 RAM，60K 字节的 FLASH，48 个 I/O 口，三个 16 位定时器，一个看门狗定时器，两个串行通讯口，一个集成 LCD 驱动模 块，一个模数转换模块（ADC） ，一个 16 位的硬件乘法器。MSP430F449 除了正常的工作模 式外， 还具有五种低功耗模式[2]。 使得整个电路不需要任何扩展就能完成对温度的实时采集、 PID 控制； 同时 MSP430F449 内部自带有 LCD 驱动模块， 直接将液晶显示屏连接在 MSP430 的驱动端口即可，电路结构极为简单。本系统硬件电路主要由铂电阻温度传感器、信号调理 电路、光电隔离、功率放大等电路组成[2]。采用 MSP430 单片机软件设计来控制温度的 PID 调节。其系统结构图如图 1 所示。\n\n\r\n

图 1 系统结构设计框图 MSP430F449 是整个系统的 CPU，单片机首先根据已经测量的反映实际温度的电压值 计算出温度值偏差，然后进行 PID 控制，将其输出量经过光电隔离和功率放大后去控制双 向可控硅的导通角，从而实现烘箱的温度控制。采用铂电阻作为温度测量的传感器，采用查 表法对铂电阻进行非线性校正。 对其输出信号经调理电路后送 MSP430 单片机的 A/D 通道 0 进行模数转换。执行 PID 程序后的输出控制量经过线性光耦合电路和功率放大后可直接控 制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热功率。这样使输出通道省去了 D/A 转换 器和可控硅的移相触发电路 ，大大简化了硬件 ，而且可控硅工作在过零触发状态，提高了 设备的功率因数，减少了对电网的干扰 。键盘主要负责温度控制的范围，最后把温度控制 的结果显示 LCD 上。 2 铂电阻传感器的非线性分析和校正 铂电阻具有准确度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是 工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件[3]。对于铂电阻温度计，电阻 R 温度 t 的如下关系式：\n\nRt = R0 [1 + at − bt 2 − ct 3 (t − 100)]\n式中 Rt 为 t℃时的电阻值，R0 为 0℃时的电阻值。 当铂电阻元件的温度系数 TCR 为 0.003851 时的系数值时如下表： 表 1 铂电阻的系数值\n\n由此可见，在 0℃～650℃存在非线性项 bt2。由 d Rt / d t = 2 Bt < 0 可知，该函数是一\n2 2\n\n条单调上凸曲线， 也即铂电阻的阻值和温度之间不是线性关系， 这就要求我们在实际应用铂 电阻时要考虑到铂电阻线性化校正的问题。 对于高精度的铂电阻测温数字显示仪表，可以将铂电阻的电阻温度分度表以 A/D 转换 器的输出数据为地址固化在存储器 EPROM 中，即在 EPROM 中，以 A/D 转换值为单元地 址存放与之相对应的温度值。当以 A/D 转换器的输出结果为地址访问 EPROM 时，存放在 该单元的温度值被读取，并送入 LCD 显示[4]。 电阻温度分度表的编制方法是在 EPROM 中，采用高温抗震铂电阻，则温度测量范围是 -50～650℃， 则电阻的变化范围是 .31Ω～326.Ω， MSP430 内部自带高精度的 12 位 ADC， 选择 2.5V 的内部参考电压，那么一个量化单位 q=2500/216mv，电阻的量化单位为 △ R=(280-100)/216。当转换结果为 00 时，电阻为 Rt=100+△R×0，查分度表可知，t=0℃时， 则在 00 单元中写入 00。当转换结果为 01 时，电阻为 Rt=100+△R×1，查分度表可知 t 的 取值，则在 01 单元中写入 02。以此类推，可以将整个电阻温度分度表存入 EPROM 中。非 线性校正误差的大小取决于 A/D 的转换精度，且误差在±q 范围内。若改变测温范围和 A/D 转换器的转换精度， 可使 A/D 的一个量化单位代表 0.1℃， 则可使量化误差降低到±0.05％。 3 硬件电路设计\n\n\r\n

3．1 数据采集单元电路设计 采用铂电阻作为电桥的工作臂， 其温度信号经电桥转换成相应的电压信号， 经浮动差分 放大后送入 MSP430 单片机进行 A/D 转换后送 LCD 显示。具体电路如图 2 显示[5]。\n\n图 2 温度测量系统的电路 Rt 为铂电阻，VD 为悬浮地，TL431 为精密可调分压器，其输出电压的温度系数及噪声 都很小，稳压值能随着 R 端的电位而变，能提高输出电压的线性化。采用浮动差分放大电 路，对其电桥输出信号进行放大，能够更好的抑制共模干扰信号。 3．2 线性光电耦合电路设计 由于单片机为弱电系统， 为保证安全需要采用线性光电耦合器与强电侧隔离， 防止强电 侧的电压回流，烧坏单片机。本系统设计中采用 LOC110 线性光电耦合器，LOC110 包含一 个红外线发光二极管与两个光电三极管形成光电耦合。增益稳定性高，带宽大于 200KHz， 低功耗，线性度可达 0.01％。能耦合模拟和数字信号，增益稳定性高，带宽大于 200KHz， 低功耗，线性度可达 0.01％。如图 3 所示，其中 Vin 接单片机输出的控制信号,Vout 是耦合电 路的输出端,接到功率放大电路。\n\n图 3 线性光电耦合电路 系统软件设计 MSP430 系列是一种具有集成度高、 功能丰富、 功耗低等特点的 16 位单片机， 它可用 C 语言来完成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率；同时用 C 语言所产生的文档资料 也容易理解，便于移植。系统进行实现温度采集，然后经过 A/D 转换后，送 LCD 显示，并 与设定值比较，经过 PID 算法得出的控制量，从而改变可控硅的导通大小，达到温度控制 的目的。该系统的软件是在 IAR Embedded Workbench 开发环境下采用 C 语言编写的，采用 模块化程序设计，使得程序结构清晰，便于进一步扩展系统的功能。本系统设计的软件采用 C 语言编写，整个程序包括的子模块有：主程序、键盘控制模块、A/D 温度采集模块、PID 控制模块等几个部分构成，软件流程如图 4 所示： 4\n\n\r\n

各功能模块 初始化 中断返回 低功耗 否 延时判断 是否有按键 按键中断 是 低功耗 CPUOff TA中断产生 采集完 40个点？ 否 判断键值 保存当前值 到ADC_BUFU 是 取A/D采样值 计算显示 温度值 输出 控制量 A/D启动 TimerA开始计数 开总中断\n\nKEY1 给温度 增大标志 KEY2 给温度 减小标志\n\n否 温度给定值 等于温度采集值？ 是 中断返回 低功耗\n\n执行PID 程序\n\n图 4 软件流程图 下面对两个主要模块进行介绍。 A/D 温度采集和显示模块 通过 MSP430 单片机的 12 位精度的模数转换（ADC） ，对铂电阻传感器的调理电路输 出电压信号进行采集，转化成数字量，这样模拟量才能被 MSP430 处理和控制。通过 A/D 采样的电压，计算出温度值，显示在 LCD 器件上。MSP430F449 内部自带一个 160 段的液 晶（LCD）驱动器，液晶显示缓存器各个位与液晶的段一一对应。存储位置位则可以点亮对 应的液晶段， 存储位复位液晶段变暗。 公共极输出控制能够自动从显示缓存器读取数据， 段、 送出相应信号到液晶玻璃片上。 PID 控制模块 本温控系统采用的数字 PID 算法由软件实现。所谓 PID 控制就是按设定值与测量值之 间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。其调节原流程图如图 5 所示。\n温度给 定值 + 温度 采样值 温度差值 PID控制 程序 控制输出\n\n图5 经典的数字 PID 增量型算式为：\n∆ u ( K ) = K p { [ e ( k ) − e ( k − 1)] +\n\nPID 调节流程图\nT e(k ) + Ti\n\nTd [ e ( k ) − 2 e ( k − 1) + e ( k − 2 )]} T 其中 Kp 为比例系数，Ti 为积分时间常数，Td 为微分时间常数。 增量 PID 算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。当 扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时， 由于产生较大的偏差， 加上温控本身的惯性及滞 后,，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。为克服这种不良的影响， 采用积分分离法对增量 PID 算法进行改进，当偏差 e(x)较大时，暂时取消积分作用；当偏 差 e(x)小于某一设定值 M 时，才将积分作用投入[6]。 5 结 语 MSP430 单片机可用 C 语言来完成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率。它做 温度采集和控制具有成本低、低功耗、抗干扰能力强等特点。同时本文提出用 MSP430 单片\n\n\r\n

机的软件设计执行 PID 控制，求出其输出控制量去控制双向可控硅的导通角，使恒温烤箱 的温度达到理想的设计值。 这种方法比传统的电接式温度计检测， 继电催触器控制的综合性 能指标有明显的改善。理论和实验证明该恒温烘箱温度控制系统具有高可靠性、高性价比、 控制简单方便等优点，大大提高测量的精度。 创新点：恒温烘箱温度控制系统使用铂电阻作为测温器件，以 16 位超低功耗特性的功 能强大的 MSP430 单片机作为控制的内核，实现温度的实时采集，采用数字 PID 算法对恒 温烘箱进行温度控制。本文的控制原理也适用其它温控系统。 参考文献： [1] 李晓峰.Y802 型恒温烘箱温控系统的模糊设计[J].棉纺织技术,2003,31(5):19-22 [2] 胡大可.MSP430 系列 FLASH 型超低功耗 16 位单片机 [M].北京:北京航空航天大学出版 社,001,242-255 [3] 刘少强,精密铂电阻测温方法[J]. 传感器技术,1999,18(2):41-44 [4] 姬 建 伟 , 李 平 . 铂 电 阻 高 精 度 测 量 和 非 线 性 校 正 的 研 究 [J]. 微 计 算 机 信 息,2007,24(5):1-165 [5] 杨小玲,伍水顺.高准确度温度测量系统信号调理[J].传感器技术,2003,22(6):47-5 [6] 刘绿山， 刘建群.基于 ATS52 单片机的温度控制系统[J].微计算机信息,2007,23(6):98-100 作者简介： 王晓雷（1963-） ，男，河南郑州人，博士，副教授，研究方向：电机电器与电力电子 吴必瑞（1982-） ，男，福建宁德人，硕士研究生，电气自动控制系统 Biography: Wang Xiaolei,male,born in 1963,the Han nationality, Henan, Zhongyuan University of Technology,Associate professor, the main research domain:Electrical Machine and Electrical Equipment. 基金资助项目名称：留学回国人员科研启动基金资助 编号：教外司留[2006]331 号 颁发部门：教育部国际合作与交流司 项目经济效益：5.5 万元 联系地址：郑州市中原中路 41 号中原工学院 2006 级研究生 161#信箱 邮编 450007 联系人：吴必瑞 ID: 2007121522350399\n\n\r\n