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摘要：介紹了如何應(yīng)用單片機(jī)使溫度測(cè)控係統(tǒng)中的測(cè)量和控製智能化。本係統(tǒng)的核心部件是msp430f14x單片機(jī)。首先建立控溫模型，通過(guò)硬件的合理配置及用軟件選擇合適的加熱模式，使控製滿(mǎn)足模型中不同階段的要求。係統(tǒng)的采集模塊采用了熱敏電阻pt100作為測(cè)溫組件，而控製模塊則采用光隔通過(guò)控製可控矽的導(dǎo)通與截止，從而控製加熱電壓的通與斷，使控製具有靈敏、可靠、抗幹?jǐn)_能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡述了係統(tǒng)的硬件構(gòu)成、各部分的主要作用及係統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。
關(guān)鍵詞：msp430f14x； 模型曲線(xiàn)；加熱模式； 光隔； pt100
引言
單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控製。隨著溫度控製器應(yīng)用範(fàn)圍的日益廣泛和多樣性，各種適用於不同場(chǎng)合的智能溫度控製器應(yīng)運(yùn)而生。在科研、生產(chǎn)中，常常需要對(duì)某些係統(tǒng)進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)和控製。需檢測(cè)和控製的溫度係統(tǒng)一旦確定，其熱慣性大小和散熱等各項(xiàng)硬件條件就確定了。這時(shí)，影響係統(tǒng)熱平衡的因素主要有：係統(tǒng)溫度t、設(shè)定溫度ta、係統(tǒng)周?chē)沫h(huán)境溫度ts 以及加熱方式和調(diào)節(jié)方法。目前已有的實(shí)現(xiàn)溫控的方法有很多種，如：油浴恒溫法、比例式、積分式及其組合的調(diào)節(jié)方法等等，其中有的方法達(dá)到熱平衡需要的時(shí)間很長(zhǎng)，但是其控溫精度很高，而有的是達(dá)到熱平衡的時(shí)間短，但其控溫精度卻不夠高。本文介紹如何用“單片機(jī)模型法”來(lái)實(shí)現(xiàn)係統(tǒng)溫度的自動(dòng)控製。用這種方法控溫，使整個(gè)係統(tǒng)靈活、可靠性高，係統(tǒng)達(dá)到熱平衡較快，而且精度也比較高，融合了前麵列舉方法的優(yōu)點(diǎn)，而且更加簡(jiǎn)單方便�！皢纹瑱C(jī)模型法”是根據(jù)設(shè)計(jì)需要建立模型曲線(xiàn)，再根據(jù)模型曲線(xiàn)各階段的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的加熱模式，然後通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
一、模型曲線(xiàn)及控溫參量的確定
1.1 模型曲線(xiàn)的建立
圖1為控溫模型曲線(xiàn)。圖中t為係統(tǒng)溫度，ta為設(shè)定溫度。控溫過(guò)程共分為三個(gè)階段：快速加熱、溫度調(diào)節(jié)和恒溫保持。其中第一階段隻有簡(jiǎn)單的快速升溫過(guò)程，而其餘階段均由升溫和降溫過(guò)程即溫度調(diào)節(jié)過(guò)程組成。根據(jù)設(shè)計(jì)需要針對(duì)各階段要求如下：在快速加熱階段即在達(dá)到點(diǎn)tr之前，加熱速度要快，使係統(tǒng)溫度t以盡量短的時(shí)間達(dá)到設(shè)定溫度ta。當(dāng)t達(dá)到設(shè)定溫度ta時(shí)即停止加熱，在停止加熱後由於熱慣性，t將繼續(xù)升高，使得t會(huì)超過(guò)ta而達(dá)到最大值a點(diǎn)。在溫度調(diào)節(jié)階段，以t1、t2點(diǎn)為分界點(diǎn)降溫與升溫過(guò)程重複出現(xiàn)。進(jìn)入恒溫保持階段，要求係統(tǒng)溫度t能穩(wěn)定在設(shè)定溫度ta的附近，並保持夠設(shè)定的時(shí)間直到係統(tǒng)進(jìn)入到下一個(gè)設(shè)定的任務(wù)為止。曲線(xiàn)上a、b、c•••為極大值點(diǎn)，d、e、f•••為極小值點(diǎn)；它們的絕對(duì)值隨時(shí)間增加都在逐漸減小，進(jìn)入恒溫保持階段後在允許誤差範(fàn)圍內(nèi)趨於穩(wěn)定。 
1.2 模型曲線(xiàn)控製參量的確定
模型曲線(xiàn)中的控製參量是在反複多次的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終確定下來(lái)的。圖中的ta是每個(gè)任務(wù)預(yù)設(shè)的溫度值，tr和t2點(diǎn)是係統(tǒng)停止加熱的起始點(diǎn)，而t1點(diǎn)則是係統(tǒng)開(kāi)始加熱的起始點(diǎn)�！鱰1＝t1－ta＝＋2℃、 △t2＝t2－ta＝－2℃是係統(tǒng)加熱和調(diào)節(jié)過(guò)程中的兩個(gè)門(mén)坎值，而tr是係統(tǒng)的一個(gè)重要的分界點(diǎn)，具體說(shuō)明如下：
在快速加熱的過(guò)程中，當(dāng)係統(tǒng)溫度第一次達(dá)到預(yù)置的某個(gè)階段的設(shè)定溫度即達(dá)到tr點(diǎn)時(shí)，係統(tǒng)就立即停止加熱，之後係統(tǒng)由於熱慣性會(huì)繼續(xù)升溫到最大值a點(diǎn)，而後開(kāi)始降溫；在降溫過(guò)程中，t到達(dá)t1點(diǎn)即t－ta＝2℃時(shí)，係統(tǒng)開(kāi)始預(yù)加熱，即緩衝係統(tǒng)溫度持續(xù)下降的幅度；在升溫過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到t2點(diǎn)即t－ta＝－2℃時(shí)，停止加熱，即防止由於熱慣性導(dǎo)緻溫度的極大值過(guò)大。由此可見(jiàn)tr、t1及t2點(diǎn)的溫度值是軟件設(shè)計(jì)中需要參考的重要參量。 二、係統(tǒng)的硬件組成
本係統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入可以預(yù)先設(shè)置多個(gè)需要控製的溫度值，然後由係統(tǒng)自動(dòng)完成預(yù)置的任務(wù)，同時(shí)係統(tǒng)的顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示係統(tǒng)當(dāng)前的溫度。其中msp430f14x單片機(jī)是整個(gè)溫控係統(tǒng)的核心部件，溫度傳感器pt100置於被加熱係統(tǒng)中。溫度信號(hào)通過(guò)采集電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入，由單片機(jī)內(nèi)置的12位a/d轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換然後完成處理。本係統(tǒng)通過(guò)軟件和硬件同時(shí)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行抗幹?jǐn)_濾波和非線(xiàn)性補(bǔ)償處理，最終大大提高了控製質(zhì)量和自動(dòng)化水平。led顯示模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值以及相關(guān)的其它信息。cpu根據(jù)整個(gè)係統(tǒng)的當(dāng)前溫度t、設(shè)定溫度ta以及環(huán)境溫度ts等參數(shù)對(duì)溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行宏觀調(diào)控。溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由光隔控製可控矽的通與斷來(lái)控製加熱電源的通與斷。用可控矽代替繼電器等機(jī)械開(kāi)關(guān)，可使控製具有靈敏、可靠、抗幹?jǐn)_能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。圖2是係統(tǒng)硬件組成框圖。 
三、軟件設(shè)計(jì)
本智能溫度控製係統(tǒng)是通過(guò)控製加熱電源的通斷來(lái)控製溫度和改變加熱升溫速度。加熱過(guò)程需要考慮的因素主要有：被加熱對(duì)象的熱容量的大小、係統(tǒng)向外界擴(kuò)散熱量的多少以及係統(tǒng)熱擴(kuò)散的速度。快速升溫時(shí)間t應(yīng)由t1和t2兩部分組成，即
t＝t1＋t2
其中：t1為為了補(bǔ)償係統(tǒng)向環(huán)境散熱而需要加熱的時(shí)間；t2為係統(tǒng)溫度與設(shè)定溫度有差額時(shí)需加熱的時(shí)間。
在溫度調(diào)節(jié)階段，降溫和升溫過(guò)程交替出現(xiàn)，程序通過(guò)圖1中的分界點(diǎn)tr、t1、t2來(lái)調(diào)節(jié)溫度的升降，最終使係統(tǒng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定進(jìn)入恒溫保持階段。根據(jù)模型曲線(xiàn)不同階段的要求，可以通過(guò)軟件自動(dòng)控製它的加熱模式。圖3為對(duì)一個(gè)任務(wù)而言，溫度加熱、調(diào)節(jié)及恒溫保持階段軟件設(shè)計(jì)流程圖。本係統(tǒng)是個(gè)多步智能溫度控製器，它可以完成預(yù)先設(shè)置的若幹個(gè)任務(wù)，即每個(gè)步驟的溫度值及恒溫需要保持的時(shí)間。每步都重複圖3的程序流程。 四、結(jié)論
本文介紹的多步溫度監(jiān)控係統(tǒng)，可以方便用戶(hù)遠(yuǎn)程控製和監(jiān)視設(shè)備的工作，並具有測(cè)溫、控溫精度高、顯示直觀、運(yùn)行可靠、成本低廉、擴(kuò)展方便、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本係統(tǒng)測(cè)溫及控溫範(fàn)圍為0℃～400℃，測(cè)溫誤差不超過(guò)±2℃，控溫誤差在達(dá)到溫度平衡後也不超過(guò)±2℃，在溫度調(diào)節(jié)階段達(dá)到平衡溫度時(shí)間相對(duì)較短。在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試及應(yīng)用中，很好的滿(mǎn)足了用戶(hù)的要求，收到了相當(dāng)好的效果。
五、參考文獻(xiàn)：
[1] 《msp430係列flash型超低功耗16位單片機(jī)》 胡大可 北京航空航天大學(xué)出版社 2002-3。
[2] 《msp430係列單片機(jī)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》 胡大可 北京航空航天大學(xué)出版社 2003-1。
[3] 《msp430係列單片機(jī)接口技術(shù)及係統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例》 魏小龍 北京航空航天大學(xué)出版社 2002-11。 |
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