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1、.单片机温度掌握系统设计摘要：本文介绍了一种基于 MSP430 单片机的温度测控装置。该装置可实现对温度的测量，并能依据设定值对环境温度进展调整，实现控温的目的。掌握算法基于数字 PID 算法。引言温度是工业掌握中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的快速进展，微机测量和掌握技术得到了快速的进展和广泛的应用1。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与掌握方面，掌握简洁便利，测量围广，精度较高。本文设计了一种基于 MSP430 单片机的温度测量和掌握装置，能对环境温度进展测量，并能依据温度给定值
2、给出调整量，掌握执行机构，实现调整环境温度的目的。1 整体方案设计单片机温度掌握系统是以 MSP430 单片机为掌握核心。整个系统硬件局部包括温度检测系统、信号放大系统、A/D 转换、单片机、I/O 设备、掌握执行系统等。单片机温度掌握系统掌握框图如下所示：温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的围，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进展采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进展数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进展比较，假设不相符，数字调整程序依据给定值与测得值的差值按 PID 掌握算法设计掌握量，触发程序依据掌握量掌握执行单
3、元。假设检测值高于设定值， 则启动制冷系统，降低环境温度；假设检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，到达掌握温度的目的。2 温度信号检测本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，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较高、稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简洁, 又免去了互换补偿的麻烦。热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度上升时,电阻值减小,它的阻值温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，由于温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基1 / 12.本呈线性关系2，这样可以通过电阻分压简洁地将温度值转化为电压值。给热敏电阻通
4、以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，依据与热敏电阻特性有关的温度参数T0 以与特性系数 k，可得下式TT0-kV(t)(1)式中 T 为被测温度。依据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必需经过放大，将热敏电阻测量到的电信号转化为 03.6 之间，才能在单片机中使用。以下图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为 1.5V。由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进展处理，以提高信号的抗干扰力量。本系统承受巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低
5、通滤波电路的截止频率fH=10 kHz 。3 掌握系统设计3.0 软件设计单片机温度掌握器掌握温度围 100到 400，承受通断掌握，通过转变给定掌握周期加热和制冷设备的导通和关断时间，来提高和降低温度，以到达调整温度的目的。软件设计中选取掌握周期 TC 为 200(T1C) ，导通时间取 Pn T1C ，其中 Pn 为输出的掌握量， Pn 值介于 0200 之间， T1 为定时器定时的时间，C 为常数。由上两式可看出，通过转变T1 定时时间或常数 C，就可转变掌握周期 TC 的大小。温度掌握器掌握的最高温度为 400，当给定温度超过 400时以400计算。图 3 为采样中断流程图。2 / 1
6、2.数模转换局部使用单片机自带的 12 位 A/D 转换器，能同时实现数模转换和掌握，免去使用专用的转换芯片，使系统处理速度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为 500 s ，当采集完 16 个点的数据以后，设置标志“nADCFlag =1”，通知主程序采集完 16 个点的数据，主程序从全局缓冲区里读出数据。为进一步减小随机信号对系统精度的影响，A/D 转换后，用平均值法对采样值进展数字滤波。每 16 个采样点取一次平均值。然后将计算到的平均值作为测量数据进展显示。同时，依据 PID 算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进展掌握，得到掌握量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动T1 定
7、时3，进入掌握过程。温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间根本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进展线性校正。MSP430 的 T1 定时器中断作为掌握中断，温度采样过程和掌握输出过程承受了互锁构造， 即在进展温度采样，温度值处理和运算等过程时 T1 不定时，待采样全过程进展完时再启动 T1 定时并同时屏蔽采样中断。T1 定时开头就进入掌握过程，在整个掌握过程中都不采样，直到200(T1C) 定时时间到， 要开头一轮的掌握周期。在启动采样的同时屏蔽 T1 中断。3 / 12.图 4 为 T1 定时中断流程图。图中，M 代表定时器掌握周期计数值，N 则表示由调整器计算出的掌握量。首先推
8、断掌握周期 TC 是否己经完毕。假设掌握周期 TC 已完毕(即 M=0)，则屏蔽 T1 定时器中断，进展一轮温度采样；假设掌握周期TC 还未完毕即 M0 ，则开头推断导通时间是否完毕。假设导通时间己完毕(即 N=0)，则置输出掌握信号为低，并重赋常数C 值，启动定时器定时，同时退出中断效劳程序；假设导通时间还未完毕(即 N 0 )， 则置输出掌握信号为高，掌握执行其间连续导通，重赋常数 C 值，启动定时器定时，同时退出中断效劳程序。3.1 数字 PID本文掌握算法承受数字 PID 掌握，数字 PID 算法表达式如下所示：其中，KP 为比例系数；KI=KPT/TI 为积分系数；T 为采样周期，T
9、I 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) 为调整器第 k 次输出， e(k) 为第 k 次给定与反响偏差。对于 PID 调整器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，可能导致系统不稳定，所以在实际中，需要对调整器的输出限幅4，即当|u|umax时，令 u=umax或 u=-umax，或依据具体状况确定。4 / 12.3.2 温度调整PI 掌握器依据温度给定值和测量值之间的偏差调整，给出调整量，再通过单片机输出PWM 波，调整可控硅的触发相位的相位角，以此来掌握执行部件的关断和开启时间，到达使温度上升或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段掌握后的温度，
10、进展近一步的掌握修正，最终实现预期的温度监控目的。4 结论本设计利用单片机低功耗、处理力量强的特点，使用单片机作为主掌握器，对室环境温度进展监控。其构造简洁、牢靠性较高，具有肯定的有用价值和进展前景。参考文献1 丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造，2023，44(1)2 开生，郭国法.MCS-51 单片机温度掌握系统的设计.微计算机信息，2023，(7)5 / 12.3 建华，艳琴，翟骁曙.MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用.清华大学，2023，148-1554 赖寿宏.微型计算机掌握技术.:机械工业，1994:90-95MCS-51 单片机温度掌握系
11、统的设计2023-10-13 16:16摘要：本文从硬件和软件两方面介绍了 MCS-51 单片机温度掌握系统的设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简捷的描述。关键词：MCS-51 单片机；温度；软硬件；硬件原理图；程序框图；设计0 引言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、反响炉和锅炉中的温度进展检测和掌握。承受MCS-51 单片机来对温度进展掌握，不仅具有掌握便利、组态简洁和敏捷性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从
12、而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的掌握问题是一个工业生产中常常会遇到的问题。本文以它为例进展介绍，期望能收到举一反三和触类旁通的效果。1 硬件电路设计以热电偶为检测元件的单片机温度掌握系统电路原理图如图 1 所示。1.1 温度检测和变送器温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的围和精10 / 12度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于 0-1000的温度检测围，相应输出电压为 0mV-41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的 0mV-41.32mV 变换成 4mA-20mA 的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的 4mA-2
13、0mA 电流变换成 0-5V 的电压。为了提高测量精度，变送器可以进展零点迁移。例如： 假设温度测量围为 500-1000，则热电偶输出为 20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出 4mA-20mA 围电流。这样，承受 8 位 A/D 转换器就可使量化温度到达 1.96以。1.2 接口电路接口电路承受MCS-51 系列单片机 8031，外围扩展并行接口 8155，程序存储器 EPROM2764，模数转换器ADC0809 等芯片。由图 1 可见，在P2.0=0 和P2.1=0 时，8155 选中它部的RAM 工作；在 P2.0=1 和P2.1=0 时，8155 选中它部的三个I/O
14、 端口工作。相应的地址安排为：0000H - 00FFH8155 部 RAM0100H命令/状态口0101HA 口0102HB 口0103HC 口0104H定时器低 8 位口0105H定时器高 8 位口8155 用作键盘/LED 显示器接口电路。图 2 中键盘有 30 个按键，分成六行L0-L5五列R0-R4，只要某键被按下，相应的行线和列线才会接通。图中 30 个按键分三类：一是数字键 0-9，共 10个；二是功能键 18 个；三是剩余两个键，可定义或设置成复位键等。为了削减硬件开销，提高系统牢靠性和降低本钱，承受动态扫描显示。 A 口和全部LED 的八段引线相连，各LED 的掌握端G 和
15、8155C 口相连， 故A 口为字形口，C 口为字位口，8031 可以通过C 口掌握LED 是否点亮， 通过A 口显示字符。图 1单片机温度掌握系统电路原理图图 28155 用作键盘/LED 显示器接口电路2764 是 8KEPROM 型器件。8031 的PSEN 和 2764的OE 相连，P2.5 和CE 相连，所以 2764 的地址空间为：0000H-1FFFH， ADC0809 的 0 通道IN0其他输入端可作备用和变送器的输出端相连，所以从通道0IN0上输入的0V-+5V 围的模拟电压经A/D 转换后可由 8031 通过程序从P0 口输入到它的部RAM 单元，在P2.2=0 和WR=0
16、 时，8031 可使ALE 和START 变为高电平而启动ADC0809 工作； 在P2.2=0 和RD=0 时，8031 可以从ADC0809 接收A/D 转换后的数字量。也就是说ADC0809 可以视为 8031 的一个外部RAM 单元，地址为 03F8H地址重复围很大，因此，8031 执行如下程序可以启动ADC0809 工作。MOV DPTR，#03F8H MOVX DPTR,A假设 8031 执行以下程序： MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR则可以从ADC0809 输入A/D 转换后的数字量。1.3 温度掌握电路8031 对温度的掌握是通过双向可控硅实现的。如图一所示
17、，双向可控硅管和加热丝串接在沟通220V、50Hz 市电回路。在给定周期T，8031 只要转变可控硅管的接通时间即可转变加热丝的功率，以到达调整温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅掌握极上触发脉冲控 制。该触发脉冲由 8031 用软件在P1.3 引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的掌握极上。3. 温度掌握的算法和程序框图图 3 主程序框图3.1 温度掌握算法通常，电阻炉炉温掌握都承受偏差掌握法。偏差掌握的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得掌握信号去调整电阻炉的加热功率，以实现对炉温的掌握。在工业上，偏差掌握又称PID掌握，这是工业掌
18、握过程中应用最广泛的一种掌握形式， 一般都能收到令人满足的效果。3.2 温度掌握程序框图温度掌握程序的设计应考虑如下：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越限报警和处理；5PID 计算、温度标度转换4.0.1 主程序框图主程序包括 8031 本身的初始化、并行接口 8155 初始化等等。大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0 初始化、CPU 开中断、温度显示和键盘扫描等程序。4.0.2 中断效劳程序框图T0 中断效劳程序是温度掌握系统的主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID 计算和输出可控
19、硅的触发脉冲等。P1.3 引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1 计数器的溢出中断掌握，8031 利用等待T1 溢出中断的空闲时间形成P1.3 输出脉冲顶宽完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。8031 从T1 中断效劳程序返回后即可恢复现场和返回主程序。4.0.3 主要子效劳程序框图主要效劳子程序包括温度检测采样与数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成BCD 码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区中，供显示子程序调用。图 4 中断效劳程序框图对于一般线性仪表来说，标度转换公式为：Tx=A0 + (Am-A0)其中，
20、A0 为一次测量仪表的下限； Am 为一次测量仪表的上限；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 其它掌握算法不同的掌握对象，所承受的算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立准确数学模型的大型立式淬火炉，可以承受人工智能模糊掌握算法，通过对淬火炉电热元件通断比的调整，实现对炉温的自动掌握，也可以承受仿人智能掌握SHIC算法和PID 掌握算法的联合掌握方案，实际应用时应敏捷运用。5 完毕语MCS-51 单片机，体积小，重量轻，抗干扰力量强，对环境要求不高，价格低廉，牢靠性高，敏捷性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业根底学问以后也能依靠自己的技术力气，来开发所期望的单片机应用系统。本文的温度掌握系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，信任读者会依靠自己的聪明才智，使单片机的应用更加广泛化。参考文献1 明荧.8051 单片机课程设计实训教材:清华大学 20232 凌玉华.单片机原理与应用系统设计 :中南大学 20233 胡汉才.单片机原理与其接口技术:清华大学 19954 徐淑华 程退安 万生 .单片机微型机原理与应用 工业大学 1994