温度自动控制系统(D题）

secret

摘要:
本温度控制系统以MSP430F169单片机作为控制器，选用DS18B20型温度传感器采集温度。系统利用矩阵式键盘实现功能模式和温度设定值的输入，温度设定的最小分度为0.1°C。实时温度和温度调节曲线由EDM12864液晶屏显示，其温度显示的最小分辨率为0.0625°C。本系统采用电压、电流采样电路测量致冷片的工作电压和电流，为单片机的控制提供依据，其中电压采样电路采用TI公司生产的运算放大器0P2345实现电压跟随，电流采样电路采用TI公司生产的精密仪表放大器IN122进行电流信号的放大。系统致冷和致热的切换由继电器控制，软件设计采用了PID算法。本系统具有检测精度高，控制稳定的特点。

关键词:单片机;温度控制; PID 算法

1 方案设计
1.1理论分析
1.1.1电压电流采样电路
对于电流采样部分，采样电阻Rc 为3个0.1 大功率电阻并联，所要采样的电流范围为0A至6A，由式U=IR得电阻两端电压范围为0至0.2V，为了提高采样精度，需放大此电压信号。仪表放大器INA122 放大倍数G=-5+200K 9/R，单片机供电电压为3.3V，单片机内部A/D 采样量程不大于其供电电压，故经放大的电压不能高于此电压，当 G-=10时，经放大的电压范围为0至2V，放大所得电压在单片机转换量程之内。

因为G=10, 且G=5+ 20OKQ/RG 电阻R为:



对于电压采样电路，由于采样最高电压为12V,若直接连接电压跟随器的同向端，则所得电压过高，不能输入给单片机。所以通过电阻网络衰减，经过R3、R,的分压作用，所得电压最大为:



此最大值可以输入给单片机，然后在后级利用0PA2340接入电压跟随器，利用MSP430F169单片机内部A/D转换成数字信号。

1.1.2滤波电路:
对于滤波部分，主要构成如图1所示，电感L、电容C1和致冷片R (Re 阻值很小可以忽略不计)，电感采用磁罐制作，由于磁罐不漏磁，对电路干扰较小，而且有较强的续流作用。单片机P1.2口输出频率为10KHz 的PWM波，经光电隔离电路输入到a点，当PWM波为高电平时，a点为低电平，电容C两端充电，其最大电压设为Uo,PWM波由高电平到低电平的瞬间开始，a点由低电平转换成高电平，C两端电压为零，RC系统失去外施激励源，电路中的初始储能引起响应，此时电容两端瞬时电压u=U,e RC。为减小电压波动对致冷效果的影响，使Ue的波动小于5%U。查致冷片相关资料知系统所用致冷片两端电阻为1.79 ~2. 29。



即   



t值小于T/2,故电容值最小为:



实际的电路设计中电容值个能小于570pP，本电路中选用2200日F电容，达到设计要求。

1.1.3制冷片的选择
制冷片选择TECI-127-06,最大温差大于65C,最大温差电流6A,最大温差电压15. 4V,最大致冷功率51.4J/s,空气比热容为1. 300758J/(L*C),木盒体积为100mX 100mX 100mm=IL.木盒内温度上升或下降15C所需热量Q为:1. 300758J/(L*'C) X ILX 15'C=19. 5125J理想情况下，该致冷片工作在最大致冷功率，可以达到题目中的要求，但是由于木盒保温效果不理想，致冷片不可能完全工作在最大致冷状态，而且存在一定的功率损耗，实际制作中先选择了致冷功率较大的TECI-127 06进行实验，发现其相对于保温效果不理想的木盒，其致冷量并不多余。器件清单上所列的3种致冷片中，TEC1- 127-06型比另外两种型号的主要性能参数(最大温差、最大温差电流、最大温差电压、最大致冷功率)都较大，所以其耐用性较好。考虑到成本相差不大，而且TEC1-127-06致冷功率比其它两种致冷片功率大，所以选用TECI-127-06。

1.2所用TI器件说明
1.2. 1关于使用单电源轨至轨运放0PA2340
采样电压通过电阻衰减网络后，需要进入A/D转换电路进行A/D采样。由于直接进行/D采样输出阻抗很大，而MSP430F169内部M/D是通过测量其内部电容充电时间来进行电压的测量，直流信号不能直流进入A/D采样，需要经过电压缓冲和阻抗变换，综上所述选择0PA2340单电源运放进行直流电压缓冲和阻抗变换。

OPA2340系属单电源输入/输出精密运放，输入阻抗高。

选型理由:
1、 该器件为电源轨至轨输入/输出精密运放，轨上死区极小，因此可以在单电源供电的情况下实现良好的直流电压缓冲。因此减小了对电源的要求，简化了电路，降低了成本。
2、该器件为CMOS工艺，其输入阻抗高，噪声低，非常适合A/D采样前的电压缓冲和放大。

1.2.2关于使用精密低噪声信号采集仪表放大器INA122
电流通过采样电阻后，由于最大电压为0.2V, 为了提高采样精度，需要经讨电压放大后才能进行A/D转换。

INA122 是精密低噪声信号采集仪表放大器，内部采用2个运放设计，使之具有非常低的静态电流的优越性能，可用于便携式仪表和数据采集系统。IN122工作在很宽的单电源供电下(2.2-36V)，静态电流仅60pA. 用一个外部电阻，可设定从5~10000V/Y的任意增益值。激光校正保证了极低失调电压及漂移和优越的共模抑制。

选型理由:1、该器件输入关断电压极小，可达 250uY，能很好的放大微弱的电压信号.
2、极低失调电压及漂移和优越的共模抑制，保证系统的精度.
3、电压放大电路简单，只需外接一个电阳。

1.2.3 关于使用超低功耗微处理暑MSP430F169
在交流信号经整流滤波变换成直流信号并经电压缓冲之后，需逃行A/D转换和信号运算处理，综上我们选择多功能超低功耗混合信号处理器MSP430F169。

MSP430F169 系属多功能超低功耗混合信号处理器，功耗极低，且拥有丰富的外围模块:48kflash,2048BRAM:8通道 12bit AD:双 12bitD/A:D: 48个I/0日:16 位 WDT:1个16位Timer A(3个捕获/比较寄存器:1个16位Timer B(7个捕获/比较寄存器):2个USART 接口：I2C： MPY:比较器 A:温度传感器。

选型理由:
1、由于系统需要进行A/D转换和数据运算处理，如果采用传统的微处理器8051单片机，则需要在外部扩展n/D转换模块，电路复杂，且很难达到较高的精度。在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信号处理器则可以解决以上问题，MSP430F169 内置8通道12bit 高精度击D，电路简单，且精度很高。
2、MSP430F169内置256B Plash Memory能够方便的保存重要数据，且掉电不失.
3、此系统中，数据接口较多，而MSP430F169拥有较丰富的1/0口资源，无需在外部进行扩展。

MSP430F169 功耗极低，能够减小系统的电源负荷，同时也为系统的电池供电提供了可能。

1.3设计方案论证
1.3.1 温度采集电路
方案一：采用常见的感温原件热电偶或热电阻，它们的主要优缺点是：热电偶价格便宜，但精度低，需冷端补偿，电路设计复杂：热电阻精度较高，但需要标准湿度电阳与之匹配才能使用。
方案二:采用DS18B20，它是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片。

它具有独特的单总线接口方式，仅斋使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干挑能力和温度测量精度。可以通过编程实现9-12位的温度转换精度设置。DS18B20测温范围为一55~+125C。

综上分析，选择方案二，可以简化电路，提高电路的稳定性，减小测量误差。

1.3.2电流采样电路
方案一直接测量所满电流通过的电阻两端电压，通过电压和电阻的比值可以算出电流的值。设计采样电阻的雀使测得电压最大值接近单片机电源电压，提高测童精度。
方案二：将方案一中的电阻改为阻值极小的电阻，阳值为 0.03340，但是采得电压值很小，为增大量程，提高精度，需要放大此电压值。放大电路采用TI公司生产的精密仪表放大器INA122.只需外接一个电阳R 便实现G-5+ 200Kg的电压放大倍数，使得电路简单，稳定性高。
且由功率公式PUI-IR可知方案一中电阻消耗的功率大于方案二中电阻消耗的功率。综上分析选用方案二。

1.3.3电压采样电路
方案一：通过电阻分压衰减网络，按一定比例对采样电压进行袁减，通过并行比较型A/D测量电压，通过软件计算出采样电压大小。
方案二：通过电阻分压衰减网络，按一定比例对采样电乐逃行衰减，利用OPA2354增加一级电压跟随，用SP430F169 内部A/D 测量电压，通过软件计算出采样电压大小。
由手 MSP430F169 单片机的内部A/D采样的是通过测量电容的充电时间确定所采样电压的大小，不能直接对电阻分压衰减网络进行采样，所以在衰减网络后级增加一级电压跟随电路。
方案二利用 MSP430F169内部A/D便于软件的设计，且电路简单，综上所述选用方案二。

1.3.4制冷片驱动电路
方案一：用场效应管组成的目型 PWM电路。此电路由四个大功率场效应管组成H桥电路构成.四个场效应管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制场效应管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲占空比来调整制冷片的功率。
方案二：采用如图2所示的单个场效应管组成的开关电路，前级采用光楞隔离和由9012 和9013组成的桥式场效应管驱动.用单片机控制场效应管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲的占空比来调整制冷片的功率。
方案一能灵活的实现制冷片工作在冷热状态的切换，但是不易实现滤波。由于冷热状态切换频率较低，方案二可以利用维电器来实现冷热的切换，且池波电路简单。因此选用方案二。


1.3.5 致冷致热切换及电路
方案一·用场效应管设计H桥式电流方向转换电路，其设计如图3所示，该方案涉及的元件简单，设计方便，但在致冷片两端不容易实现滤波。
方案二:采用继电器IQX-12FC-2C，其内部有两对单刀双掷开关，图4为其内部结构，可以通过控制继电器的通断来控制开关状态，从而控制电流的方向。
用继电器可以在继电器前级电路加滤波电路，减少电压波动对致冷效率的影响。综合上述分析，为减少电压波动，选择方案二。



1.3.6键盘电路
方案一:直接用行列式键盘，利用单片机扫描进行键盘数据的读取，但是需要进行防抖处理，且占用了较多的I/0口。
方案二:将行列式键盘接入键盘控制芯片ZLG7289，该芯片内部自带防抖处理功能，能在有键盘动作后发送中断信号，并将读取的键盘数据直接通过串口发送到单片机，只需2个I/0口便可实现键盘的功能，占用了单片机较少的资源。

综上所述，为节约单片机资源，采用方案二。


2系统实现
2.1硬件设计
2.1.1系统框图系统框图如图5所示。



2.1.2不同功能单元之间的接口设计
整个系统由键盘、温度采集、制冷片驱动、风扇驱动、液晶显示、电压采样、电流采样，7个模组成，各模块的接口设计如下:

键盘采用 ZLG7289对按键动作进行处理，读取键值，发送中断信号后，通过串口将键值发送给单片机，单片机利用I/0口模拟串口接收键值，并进行相应的处理。

温度采集采用 DS18B20，通过总线模式发送温度数据，单片机需要相应的温度数据时，通过I/0口模拟接收数据并进行处理。

制冷片驱动前级采用光耦TL117隔离，由于使用 PWM驱动，场效应管必须处于高速开关状态，为减小场效应管工作在放大状态的时间，通过9012、9013对管驱动 IRF540，提高开关速率，降低场效应管的功耗。

液晶显示采用 EDM12864液晶屏，该液晶工作电压3.3V,可以与MSP430F169直接连接。

电压采样利用 OPA2340 对电阻衰减后的电压进行电压跟随，减小输出阻抗，可以利用 MSP430F169内部A/D直接进行采样。

电流采样利用 INA122 对通过采样电阻转换后的电压信号进行放大，方便MSP430F169直接利用内部参考源进行A/D采样，提高了采样的精度。

2.1.3 硬件设计注意事项及窍门
1、在使用运放的时候在电源组的两端加上一组电容（10uF 的电解电容和    0.1uF 的瓷介电容)，分别起到滤掉低频干扰和高频干扰的作用，使运放能够达到较高 的精度
2、在使用A/DC模块的时候，一定要保证电源电压的稳定性和基准电压的稳定性。
3、整个系统的模拟地和数字地不要交叉共地，模拟地和数字地要分别独立开来，在一点道过0欧电阻进行共地，并且需并授电容，以提高电路的抗千扰能2.2软件设计22.1软件算法及流程采用P1D控制进行温度控制，它是一种闭环控制系统，根据控制量的实际值与设定值的偏差来计算下一步的控制量软停的基本流程是:

采样当前温度一P1D运算一P9(古空比式)输出PID运算程序如下:
每采样一次之后进行一次P1D运算，得到一个输出量，供输出函数调用。为了下面叙述方便先定义几个变量。
定义：T-target 表示日标温度T real 表示当前温度T-diff 表示当前温差并且T-diff-T-target-T-realPID运算表达式如下:
PTN OUT-p_OUT+I OUT*D OUT+PH:(求代数和)其中P OUT-KP*(T-difD 称为比例项，阳P是比例系数，比例项的作用是纠正偏差.比例项输出等于比剑系数桑当前温差。
IOUT-KI*2 (dif0)称为积分项，KI是积分系数，积分项用于消除系统稳态误差，Z(diff)含义是由当前算起前面N次采样温差的和.。
D OUT KD*Adiff称为微分项.KD是微分系数，微分项用于减小系绕超调量。
增加系统稳定性.（Adiff=当前温差-上次温差).
P H-KC* (T-target)称为维持功率项，达温后(其它项均趋于0)此项起抵消散热维持温度的作用，可增加系统稳定性.KC是维持功率系数如果约定满功率值为100.停止输出功率值为0那未 PMOUT 的取值范围就确定为0-100 主要是为了后面编制输出西数时方便简明，直接调用 PWM OUT 作为输出占空比的百分数)后面整定系数时就要燕顾PwVO0T的取值范围。
如图6为软件设计流程图，主菜单包招温度设定、控制对象温度状态及曲线暴示、系统各部分温度监控和制冷片但前工作功率查看四项功能，温度设定后，系统便运行控制程序。


2.2.2 MSP430 的程序设计技巧关于使用
MSP430内部A/DC转换MSP430内置A/D转换模块，能够直接进行A/D转换，在内部程序设计时进行相应的误差处理，即进行多次采样，然后去掉最大值最小之后再求平均值能够提高A/D转换的稳定性和精度。

2.2.3编程感想及软件设计注意事项。
软件的编写最好是采用模块化设计，并做成相应的头文件，这样便于程序的调试，也使得编写程序的思路更清晰。在调试各个程序模块时，要注意到各个模块间相互的影响，要合理地利用中断并管理好中断。对于菜单程序的编写，逻辑思维一定要清晰，要养成画程序流程图的习惯。利用I/0口模拟- -些通讯协议时，-定要注意时序问题，最好把相应的延时程序写成与单片机工作频率有关的函数，便于以后的检查和更改。

3作品性能测试与分析
3.1测试方法
将温度初始值调制22"C，稳定后，将温度设定为12C,在LCD上观察温度的超调量、稳定后的最大正负偏差，并利用秒表记录到达稳定状态的时间，并依次设定22"C、32"C、 22"C, 记录下相应的数据。

3.2系统性能概览



3.3 误差分析
该系统控制的PID控制参数只是在致冷和加热这两种情况下有所不同，不能满足在任何温度下条件有着最佳的动态曲线。

3.4 进一步改进
在PID控制算法中加入模糊控制量，对于在不同温度下的调节能有着更好的动态温度曲线，减小调节时间，增加温度的稳定度。_

附录

wy2589

谢谢分享