基于MSP430的溫度控制系統的設計與實(shí)現

調溫設備如冰箱、冰柜、空調已廣泛地走進(jìn)大眾家庭，這些設備帶給了人們更多的舒適，人們也越來(lái)越依賴(lài)它們。為此，我們小組搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統，模擬調溫設備在日常生活中的運作，深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。

1 系統組成

本系統以MSP430系統板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調溫、人機交互等模塊。其采用數字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件，在通用定時(shí)器B周期中斷的控制下，低功耗單片機MSP430F449通過(guò)其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過(guò)PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進(jìn)行加熱或制冷，輸出的PWM波驅動(dòng)功率MOSFET IRF540，從而達到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的，系統組成框圖如圖1所示。


2 MSP430F449簡(jiǎn)介

MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，同時(shí)集成數字和模擬電路。其具有特點(diǎn)：16位CPU通過(guò)總線(xiàn)連接到存儲器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時(shí)鐘能夠降低功耗，多總線(xiàn)能夠降低噪聲；16位數據寬度，數據處理更有效。它的集成調試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺。

MSP430F449的定時(shí)器A和定時(shí)器B都可以實(shí)現PWM：當定時(shí)器工作在PWM波產(chǎn)生模式，就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用另外寄存器控制占空比，生成PWM波方便。并且片內集成段式液晶驅動(dòng)模塊，便于顯示溫度值。

3 PID控制算法原理

3．1 PID控制系統筒介

PID控制系統如圖2所示，D(s)完成PID控制規律，稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線(xiàn)性組合構成控制量u(t)，稱(chēng)為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。

PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規律，通過(guò)改變調節器參數來(lái)實(shí)現控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：

實(shí)際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。

3．2 PID參數控制效果分析

PID控制的3基本參數為KP、KI、KD，這3項參數的實(shí)際控制作用為：

比例碉節參數(KP) 按比例反映系統的偏差。增大KP，系統的反應變靈敏、速度加快、穩態(tài)誤差減小，但振蕩次數也會(huì )加多、調節時(shí)間加長(cháng)。在該反饋環(huán)中，該值主要影響速度。

積分調節參數(KI) 消除系統靜態(tài)(穩態(tài))誤差，提高系統的控制精度。積分調節會(huì )使系統的穩定性下降，動(dòng)態(tài)響應變慢，超調加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結合作用。

微分調節參數(KD) 反映系統偏差信號的變化率，可以預見(jiàn)偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，減小超調量，但對噪聲干擾有放大作用。過(guò)強的微分調節會(huì )使系統劇烈震蕩，對抗干擾不利。

常規的PID控制系統中，減少超調和提高控制精度難以?xún)扇涿?。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時(shí)又難以避免超調，這也是常規PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統中，對積分參數做了分段處理，已達到理想的效果。

4 溫控裝置及原理

DS18B20支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，測量溫度范圍為-55～+125℃，測量范圍廣。DS18B20可以程序設定9～12位的分辨宰，精度為0．0625 ℃，分辨率高。支持3～5.5 V的電壓范圍?，F場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。并且只需占用一根微控制器的I／O口，節省I／O口。本系統選用PR-35封裝。

控制電路選擇VDD供電方式，即VDD接+5 V，GND接地，I／O接單片機I／O。

DS18B20的主要部件：64位激光ROM，溫度傳感器，非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高度暫存器。

4．1 單線(xiàn)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)DS18B20的協(xié)議

DS18B20需要嚴格的協(xié)議以確保數據的完整性。協(xié)議包括幾種單線(xiàn)信號類(lèi)型：復位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都由總線(xiàn)控制器發(fā)出。

4．1．1 初始化

通過(guò)單線(xiàn)總線(xiàn)的所有執行都從一個(gè)初始化序列(一個(gè)由總線(xiàn)控制器發(fā)出的復位脈沖和跟在其后由從機發(fā)出的存在脈沖)開(kāi)始。之后存在脈沖讓總線(xiàn)控制器知道DS18B20在總線(xiàn)上且已做準備好操作。

4．1．2 ROM操作命令

一旦總線(xiàn)控制器檢測到一個(gè)存在脈沖，它就可以發(fā)出5個(gè)ROM命令中的任一個(gè)：Read ROM，Match ROM，Skip ROM，Search ROM，Alarm Search。

由于只用到一個(gè)DS18B20，所以選擇Skip ROM跳過(guò)指令，無(wú)需進(jìn)行地址序列號的檢查，可以加大軟件運行速度。

4．1．3 存儲器操作命令

4．1. 4 RAM操作指令如表1所示

一般先執行溫度轉換指令，然后用讀暫存器指令將16位溫度值讀入主控制器。

4. 1．5 執行／數據

執行數據前，一定確保先指令已經(jīng)輸入，并嚴格按照時(shí)間時(shí)序。執行、數據時(shí)，要注意：只有數據時(shí)間隙把握準確，讀寫(xiě)數據才能正確。

4．2 讀寫(xiě)時(shí)間隙

DS18B20的數據讀寫(xiě)是通過(guò)時(shí)間隙處理位和命令字來(lái)確認信息交換。必須在時(shí)間隙開(kāi)始的確切時(shí)間讀取或寫(xiě)入需要的數據。所以，對DS 18B20的時(shí)序控制要嚴格把握時(shí)間分段。當主機把數據線(xiàn)從邏輯高電平拉到邏輯低電平時(shí)，寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始；當從DS18B20讀取數據時(shí)，主機生成讀時(shí)間隙。

5 TEC1-12708驅動(dòng)電路

制冷片TEC1-12708：依據帕爾帖效應制作的溫差電制冷組件重量輕、體積小并具有相對高的制冷量，特別適用于有限空間的制冷，由于制冷組件是一種固態(tài)熱泵，因而它無(wú)需維護，無(wú)嗓音，能在任何位置工作，抗沖擊和抗震動(dòng)能力強。另外，改變組件工作電流機型時(shí)，又可以制熱，改變電流強度可調整制冷功率。

由于TEC要求的驅動(dòng)電流是雙向的，所以選擇功率管MOSFET，結合雙向可控硅光電耦合器組成H橋式電路控制TEC方向。功率MOSFET管IRF 540的導通電阻很小，能有效提高供給負載的最大功率。光電耦合器是一種電-光-電轉換器件，把發(fā)光源和受光器用透明絕緣體隔離，不會(huì )對電路造成任何損害，比繼電器性能好。

圖3為雙向可控硅光電耦合器構成4個(gè)由高電平控制的開(kāi)關(guān)電路。用該4個(gè)開(kāi)關(guān)電路連接成H橋電路，以實(shí)現對制冷片加熱與降溫。當開(kāi)關(guān)1.3關(guān)閉時(shí)，電流正向流經(jīng)制冷器件，制冷器開(kāi)始加熱；當開(kāi)關(guān)2，4關(guān)閉時(shí)候，電流反向流經(jīng)制冷器件，制冷器件降溫。

經(jīng)過(guò)對控制原理進(jìn)行透析，繪制該制冷片的總控制原理圖如圖4所示。通過(guò)控制PWM波的占空比來(lái)控制功率管IRF540的導通時(shí)間，從而控制電路提供給制冷片的有效電流及方向?？刂菩Ч己?。


6 系統軟件設計

該系統軟件完成制冷制熱、設置溫度值、自動(dòng)調溫等功能。重要算法實(shí)現包括PID算法和數字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過(guò)程為：系統初始化，等待按健中斷。選擇制冷或制熱后，設定指定溫度值；將溫度采集的數據接收進(jìn)來(lái)，與設定溫度值比較，將差值經(jīng)過(guò)PID算法后計算出進(jìn)行功率控制的占空比，從而調節溫度。其中，PWM波由MSP430F449的定時(shí)器B產(chǎn)生，在該模式下，寄存器CCR0用于控制PWM波頻率，其他任意一個(gè)寄存器控制占空比，控制靈活，相當方便?？刂品e分調節參數對，對其采取分段積分PID算法，控制系統超調量。軟件流程如圖5所示。

該系統軟件完成制冷制熱、設置溫度值、自動(dòng)調溫等功能。重要算法實(shí)現包括PID算法和數字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過(guò)程為：系統初始化，等待按鍵中斷。選擇制冷或制熱后，設定指定溫度值；將溫度采集的數據接收進(jìn)來(lái)，與設定溫度值比較，將差值經(jīng)過(guò)PID算法后計算出進(jìn)行功率控制的占空比，從而調節溫度。其中，PWM波由MSP430F449的定時(shí)器B產(chǎn)生，在該模式下，寄存器CCR0用于控制PWM波頻率，其他任意一個(gè)寄存器控制占空比，控制靈活。

7 測試結果

7. 1 測試過(guò)程

為防止室溫變化對測試造成影響，選擇有空調室溫恒定的地方進(jìn)行測試。在室溫16℃下，測試數據如表2所示。


7．2 測試結果分析

由上實(shí)驗數據可以看出，溫度讀數可以達到0．1℃，設定的溫度值與最終溫度值讀數相差最大為0．8℃，完全滿(mǎn)足實(shí)驗要求±2℃范圍的要求。從實(shí)驗數據第2組可以看出溫差大于15℃時(shí)，達到指定度所需時(shí)間為2分43秒。