基于单片机的温度控制系统设计制作

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目：基于单片机的温度控制基于单片机的温度控制 系统设计制作系统设计制作 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六 月月 基于单片机的温度控制系统设计制作基于单片机的温度控制系统设计制作 摘要摘要：随着我国的经济日益发展， 科技水平逐渐提高， 对智能化的要求也渐渐提高， 温度控制系统作为人们各个方面都接触到的系统也不例外。 进入 21 世纪后，温度控制系统得到了多方面的研发提升。在处理数据模块上， 通过引入单片机技术，温度控制系统在处理信息能力和执行能力得到了很大的提升。 在采集数据的模块上，通过信号放大电路，保证了数据的有效传递。在功率接口选择 电路上，由于引入了单片机，在功能选择上得到多种选择。在显示系统电路模块中， 通过传感器的的数据采集和单片机的运算处理，达到了温度的实时显示。温度控制系 统根据软件指令指挥各个工作模块的协调工作，以达到高效工作、智能化调节温度的 效果。 基于单片机的温度控制系统是符合现在智能化趋势的重要产品之一， 它具有实时 调控、远距离控制、安全保护等功能，它是集高精度，高准确性，高执行能力，高速 运算能力于一体的新型温度控制系统。 本论文主要讨论的是基于 MSP430F169IPM 所设计的温控系统， 其中以温控系统的 硬件部分，各工作电路模块为主要讨论对象。 关键词：温度控制系统 智能化 单片机 MSP430F169IPM 硬件部分 Design and production of temperature control system based on MCU Abstract:With the development of our economy, the level of science and technology is gradually improving, and the demand for the intelligence is gradually improved,No exception,The temperature control system has become the system which all aspects of people contact. After entering the twenty-first Century, the temperature control system has been developed in many aspects of research and development,In the processing of data module, by the introduction of single-chip technology, temperature control system in the processing of information and execution ability has been greatly improved.On the module of the data acquisition, the signal amplifying circuit can guarantee the effective transmission of data.In the power interface select circuit, because of the addition of single-chip, there are a variety of functional options In the circuit module of the display system, the data acquisition and the operation of single chip computer are processed by the sensor, and the real-time display of the temperature is reached.The temperature control system according to the software instruction command each work module coordination work, in order to achieve the effect of the high efficiency work, the intellectualized adjustment temperature Based on single-chip microcomputer temperature control system is in line with the now intelligent trend is one of the important products, it has the real-time control, remote control and safety protection function, it is high precision, high accuracy, high ability to execute, high-speed computing power in one of the new temperature control system This thesis mainly discusses the temperature control system which is based on MSP430F169IPM, and the hardware of the temperature control system, and the main discussion object of each working circuit module. Key word:Temperature control systemIntelligentSingle chip microcomputer MSP430F169IPMhardware 目目 录录 1绪论 1.1 引言1 1.2 温度控制系统选题的依据及意义1 1.3 国内外研究概况及发展趋势2 1.4 论文主要内容2 2温度控制系统设计 2.1 温度控制系统设计任务3 2.2 温度控制系统性能要求3 2.3 温度控制系工作基本原理3 3温度控制系统硬件部分 3.1 温度控制系统主干电路模块分析5 3.1.1 电源电路.5 3.1.2 热电偶信号放大电路.6 3.1.3 LED 显示电路.10 3.1.4 功率接口电路.11 3.2 其他电路模块介绍13 3.2.1 MSP430F169IPM13 3.2.2 复位电路.15 3.2.3 时钟电路.16 4温度控制系统软件部分 4.1 程序设计语言选择17 4.1.1 C 语言.17 4.1.2 C 语言与汇编语言对比.17 4.2 温度控制软件设计（流程图）18 4.3 数据采集及转换模块19 4.3.1 K 型热电偶所测温差程序.19 4.3.2 K 型热电偶所测温度计算公式推导.19 4.3.3 内部冷端补偿值计算程序.20 4.3.3 内部冷端补偿值计算推导.21 4.3.4 温度控制系统显示温度.22 5温度控制系统实验灯泡温度测控 5.1 实验目的22 5.2 实验方法原理分析22 5.3 实验设备22 5.4 实验步骤及操作23 5.5 实验数据总结23 5.6 数据处理及误差分析25 5.6.1 红外测温仪数据误差计算.25 5.6.2 温度控制系统的误差计算.25 5.6.3 误差分析.26 6设计结论 参考文献28 致谢29 附录30 1 基于单片机的温度控制系统设计制作基于单片机的温度控制系统设计制作 1 1绪论绪论 1.11.1 引言引言 温度和我们的平常生活互相影响， 温度控制系统在各个领域都起着相当重要的作 用。在各行各业中都有着大量的温度设备，如火灾报警系统的温度自动报警系统就是 温度传感器配合微电子判断电路驱动报警器。 温度控制系统还应用于金属热处理的加 热炉，和用于熔化金属的坩锅电阻炉和各类不同用处的恒温箱等。这些设备的工作芯 片大多都采用单片机技术， 工作人员通过利用单片机语言程序对它们进行远程监控和 控制调节。而单片机功能强大，具有高精度控制和操作快捷、结构简单、应对不同情 况修改能力强且具有一定的智能性等特点。 使用单片机技术可以很轻松达到往温度控 制系统精确性能和控制技术标准，更提高了设计产品的实用性能1。 1.21.2 温度控制系统选题的依据及意义温度控制系统选题的依据及意义 随着社会经济的发展，科技的不断进步，温度测量仪器在各个领域的应用越来越 广泛，小到普通家庭空调，大到工业发电高压等场所。在上个世纪 90 年代，温度控 制系统一般还是由人工机械操控调节的，并无提出引入智能化的观点，并且对于温度 控制没有给与足够的注重，从而引发了很多重大事故的产生，一系列的意外剖析后， 科学家们正确认识到温度控制系统的重要性，并带头重视温度控制系统的研发。经由 多年的研发，温度控制系统得到了很大的完善。在研发的过程当中，温度测控系统的 智能化已成为当代温度控制体系发展的主要目标2。 市场的需求决定技术反向，技术方向引导产物的研发，在如此的大前提下，与温 度控制系统相干的电子类产物品的研发成为现今的热门。随着单片机技术的日趋成 熟，可应用范畴也不断的扩展，把单片机作为运算核心的控制系统，逐渐运用到日常 生活的各方面，这不仅克服了温度控制系统中信号采集的严重时延，并且提高了采样 频率，在很大程度上提高了控制效果和控制精度，实现一种可持续操作、功能强大、 适用于远距离操控、适用性强、成本造价低而且还具有高灵敏度、高精度调温功能的 温度控制系统，以是单片机的引入对温度控制系统的研发有质一般的飞跃。 温度控制工业生产运用也起着至关重要的作用和意义。 精准地测量和反馈实时温 度是高质量的工业生产和安全生产的保证， 所以对温度控制系统的研发是非常必要且 有意义的。做好实时温度状态的检查和测试，可以为后续针对实时温度状态的调节提 2 供主要参数，以便于整理数据，指挥系统的工作，进而更好地为工业生产一线流水作 业提供优质的监控。 1.31.3 国内外研究概况及发展趋势国内外研究概况及发展趋势 进入 21 世纪后，温度控制系统已慢慢走向复合型和智能化，温度 T 作为此中的 主要参数，其测量的准确性对提高系统工作精准度尤为关键，研发和设计机能强大的 温度控制系统具有非常重要的意义，而其中最为关键的元器件就是温度传感器，它的 机能会直接左右到收集温度数据的精准性3。 现在， 国内外的温度控制方式愈来愈趋向于复合型和智能化， 温度 T 作为其中的 关键参数，对其测量的准确性对提高系统工作精准度尤为关键，温度测量首先是由温 度传感器采集数据来实现的。 温度采集系统是由热电偶传感器和信号放大处理两部分 电路组成的， 温度采集的过程便是应用热电偶传感器将被测对象的温度值 T 转换成电 信号或以其他信号形式传递给信号放大处理电路进行信号放大处理， 再输入到单片机 运算系统中，将采集数据转换成温度值显示出来。在实际应用中，热电偶传感器并非 理想的电器元件， 因为热电偶传感器是一种会随着温度改变而引起物理参数产生变化 的电器元件。其中，会发生改变的物理参数有:体积的膨胀、电阻、电容、热电动势、 磁性能、 频率、 光学特性以及热噪声等等， 这些因数也会对温控系统带来一定的误差。 随着科学技术的发展日新月异，智能温度传感器也迅速地发展，以高精度、高可 靠性及高安全性等高性能为目标不断地进行研发改良。 在研发的过程当中发现不少问 题，此中提高温度传感器测温精度和分辨力，提高总线技术的标准化与规范化，加强 单片机的可靠性及安全性设计， 模拟温度传感器和网络温度控制器的设计成为当前要 解决的重要问题4。 1.41.4 论文主要内容论文主要内容 本设计主要讨论的内容是在温度控制系统的硬件部分，对热电偶功率放大电路、 LED 显示电路及功率接口电路的工作原理及设计理念进行了详细的介绍说明。 3 2 2温度控制系统设计温度控制系统设计 2.12.1 温度控制系统设计任务温度控制系统设计任务 本论文主要介绍了基于 MSP430 为核心处理器的温度控制系统设计任务、 技术指 标，并简要说明了温度控制系统设计性能要求和 MSP430 等芯片的原理及机能，并列 出了硬件和软件部分的设计原理框图。 2.22.2 温度控制系统性能要求温度控制系统性能要求 本温度控制系统按照下列的性能指标要求设计： 1）本系统数据采集电路能完成对被测物体温度信号的采样，并将温度值 T 转换成电 信号； 2）本系统可以经由 LED 显示系统的工作，来反映出实时的温度值； 3）通过对采集的电信号进行处理分析，控制功率输出来达到温度控制效果； 4）本温度控制系统的温度可允许误差为 3%。 2.32.3 温度控制系工作基本原理温度控制系工作基本原理 温度控制系统要实现对实时温度的调节功能，本设计系统的工作原理一下： 检测温度信号计算分析可执行元件 输出结果输出控制信号 图 2.1 温度工作系统原理 下面对各部分的工作模块进行简要的解释说明。 1)温度检测部分：温度控制系统通过热电偶传感器定时进行采集数据，所采集的数 据因为信号源未达到单片机可识别信号的范畴，所以要经过信号放大电路后再传 入到单片机中。 2)计算分析：单片机会按照所设定的程序，对信号进行处理，与所设定的温度行比 较分析，然后根据对比分析得出结果。 4 3)输出控制信号：根据对比结果，可以分为三种情况，一，温度不足，开启加热功 能，给加热管功率接口电路提供电信号。二，温度达到设定值，开启恒温功能， 给恒温功率借口提供电信号。三，温度过高，开启降温功能，给制冷功率转换接 口电路提供电信号。 4)可执行元件：通过输出控制，对需要工作的电器元件给与的控制信号，在通过功 率放大，为要执行工作的元件提供足够的能量。 概括来讲，温度控制系统就是通过热电偶传感器探头检测被测物的温度变化后， 将模拟量的变化进行信号放大处理后传送给单片机控制器处理， 控制器在给定的温度 值做出反应，输出控制信号来控制温度执行元件的工作和停止5。 温度控制系统工作流程框图： 传感器温度检测电路A/D 转换电路 单片机处理电路显示和控制温度电路 图 2.2 温度控制系统工作流程 3 3温度控制系统硬件部分温度控制系统硬件部分 根据设计要求和性能指标， 有针对性地选择了主要的工作元件及确定了元件的相干参 数。 1)CPU：中央处理器，是一块超大规模的集成电路，是本系统的运算核心和控制中 心。它的功能主要是诠释 C 语言指令以及处理信号采集电路所输入的数据。由于 系统的要求， 本系统选取了 16 位 CPUMSP430 系列中的 MSP430F169IPM 的单片 机，能保持高速有效地工作6。 2)复位电路：管理 CPU 复位，负责系统的重置，同时对 CPU 的工作状态进行检测， 避免出现系统奔溃而导致的死机现象，提高抗干扰能力。 3)显示电路：通过单片机的数据处理，使 LED 数码显示当前的温度。 4)加热管功率接口：通过单片机信号处理驱使加热管功率接口电路工作，从而达到 温度调节的效果。 5 3.13.1 温度控制系统主干电路模块分析温度控制系统主干电路模块分析 3.1.13.1.1 电源电路电源电路 单片机中的电源电路是指为单片机上给各个电路模块提供电力的电源电路， 对于 一个完整的电路设计来讲， 要解决的首要问题就是给整个系统配套合适的的电源供电 模块。电源供电模块的稳定性是整个系统平稳工作的前提条件和基本保障。MSP430 单片机虽然功能强大、应用范围广泛，但是在实际使用过程当中，往往受到电源不稳 定的干扰而出现程序丢失崩溃的现象，为了克服这类现象出现，只有为单片机系统配 置一个稳定可靠的电源供电模块才能解决。 图 3.1 +5V 降压+3.3V 电路 ASM1117：高效线性稳压器，后置稳压器。 CUP1-1CUP1-4：多个电容来滤除各个频率段的干扰。以达到为芯片提供纯净 3.3V 的目的。 此电路使交换式电源从+5V 降至+3.3V 线性稳压器。为单片机提供电源所使用 6 图 3.2 9V 转+12V、-12V 稳压电路 MC7812CT、MC7912CT：是配对的三脚稳压集成电路元器件，应用于各类电源供电 模块的稳压电路，具备成本低且适用范围广、输出稳定性好、耐用性能好、当输出过 载、过热时能自动保护等特点。通常作为转换电路中的正、负电压输出端。 此电路是使得 9V 电压通过 MC7812 和 MC7912 实现电压的转换， 将 9V 转变成+12V 和-12V 电压。 3.1.23.1.2 热电偶信号放大电路热电偶信号放大电路 在温度测量系统中，热传感器起着至关重要的作用，它负责数据的采集，本设计 采用的是 K 型热电偶传感器来采集数据。下面来讨论一下热电偶的工作原理。 热电偶是温度传感器的敏感元件，它的通过热电效应来检测温度值的，通过将两 个半导体电极焊接在一起， 使它们两半导体形成闭合回路。 当两个接点中存在温度差， 根据热点效应，就会在两端产生热电势能又连接的一端流向另一端，其中两个导体称 为热电极。图 3.3 为热电偶的结构图。 图 3.3 热电偶结构图 7 根据热电偶的原理知道，热电偶所采集的数据是测量端与参考端之间的温度差所 导致的热电势， 本设计是以室温来担任参考端温度。 所以输入数据需要进行冷端补偿， 通过冷端补偿就可得到被测物体的实时温度值7。本设计通过单片机功能实现冷端补 偿。 在温度测量系统中信号放大电路是用来对传感器输出的微弱电压，电流或电荷信 号进行放大处理的电路，因为本设计使用在热电偶采集信号处理中，以是称为热电偶 信号放大电路。对热电偶信号放大电路基本要求是： 1)输入阻抗应与传感器输出阻抗相对应匹配； 2)一定的放大倍数和稳定的增益效果； 3)低噪声； 4)线性好、精度高； 5)成本低。 图 3.4 热电偶信号放大系统 8 因为热电偶采集输入电信号很微弱，后期电路处理不了只能在经过线性放大以 后，信号的幅度增大了，后级电路才能够对其进行下一步的操作。热电偶采集数据通 过 CN2 输入到放电电路中，经过处理放大得到所数字信号再经过 OP07 的 6 脚 （FIRST）送到单片机的 I/O 口进行处理8。此中，OP07 芯片是一种低干扰，低噪声， 且具备优秀的放大功效的双极性运算放大器集成电路，其特点是： 1)具备非常低的输入失调电压，所以在很多应用场合中不需要外添加额外的调 零措施。 2)具有输入偏置电流低和开环增益高的特性，这类特性使得 OP07 在高放大倍 数的测量设备以及放大传感器中对微弱信号处理等方面具有非常优秀的功 效。 图 3.5 OP07 管脚图 在热电偶信号放大电路中，微弱信号经过放大处理后得到输出电压 U，输出电压 U 是整个放大电路的核心，以下对输出电压 U 进行理论阐明及公式的推导. R11 是起防干扰功能，C6 的是滤波电容，在电路中起滤波作用，在电路分析中均 可以忽略，信号放大电路放大功能主要是根据图中热电偶 CN2 所采集的电信号来计 算，假设 CN2 的 1 端输入电压为 U1，2 端的输入电压为 U2，输出电压为 U： 依据简化电路图及根据虚短、虚断分析可得： 1413 1 1 RR U I （3.1） 14114RIU（3.2） 9 14-UUU（3.3） 16 - 12 -2 2 U R UU I R U （3.4） 式中： I1 U1 经过 R13 流向 R14 的电流 I2 U2 经过 R12 向 U 方向流去的电流 U+、U- OP07 芯片的正向输入端和反向输入端的电压 根据电路可知： 1312RR（3.5） 1614RR （3.6） 由上式整合可得： ）（21 12 14 R R UUU （3.7） 代入电阻公式（3.7）可得： ）（21UU100U（3.8） 由上式可知本设计放大电路的放大倍数与设定的电阻值有关，根据设计要求本热 电偶放大电路将传感器所获的电信号做差动放大到 100 倍。本设计的传感器是 K 型 热电偶，在常温下其电阻值为 10.8 欧姆，对于 R11 来比较，存在 0.27%误差，在可 允许误差范围内。 在系统设计时，考虑到实际工作要求，只采用了一个热电偶传感器采集数据，并 未对其进行外部冷端补偿，所以所得的信号是被测物体与室温的温差。本温控系统将 在软件编写时引进热电偶的冷端补偿，也就是在所测的数据中加上室温，再输送给显 示系统，已达到显示被测物体的实时温度9。 10 3.1.3LED3.1.3LED 显示电路显示电路 由于测量温度范围在 0100 摄氏度，所以本设计采用 4 位 LED 数码管显示。 本设计采取单片机与 LED 数码管动态显示接口电路作为显示系统。 动态显示方式是 把全部数码管的 8 段按同名端的方式连在一起，ah 分别对应连在单片机的 2539 号 脚， 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路， 位选通由各自独立的 I/O 线控制，COM14 分别对应连在单片机的 2023 号脚上10。 图 3.6 LED 显示电路模块 LED 数码管显示的同时会把信号传递给每个数码管， 此时每个瞬时由位选通信号 选通一个数码管，即在某一瞬时只有一个数码管显示数据，且显示时间不会太长，一 般为 110 毫秒，单片机依次实施循环扫描，在 LED 数码管上轮流显示，由于人的视 觉存在滞留效应，在 110 毫秒之间，仅依靠人类的视觉去辨识，人们是无法辨别出 来 LED 数码管单独显示，这使人们看到的是 LED 数码管多位数同时稳定显示。 LED 数码管动态显示对比于静态显示来讲，占用 I/O 端线少，电路较简单，不需 要再外接芯片对信号进行处理，但动态显示的编程较为复杂，需要 CPU 要定时实施 扫描操作来刷新 LED 数码管的显示，通常适用于显示位数较多的情况11。 由于显示电路采用动态显示方式，所以在 CPU 功能设定上，要求电路每隔极短 的时间进行扫描，对 COM 的选择进行刷新显示，所以导致数码管的位码信号在不停 的通断变化，为了保证选择的正确性及显示效果，会在位选通端接一个 PNP 三极管， 并给 PNP 三极管的发射极 e 端恒通入+3.3V 电压， 在这里当作驱动来使用， 本设计使 用了 PNP 9012，Q21Q24，来充当驱动。 11 为了确保 LED 数码管和单片机的正常使用，在数码管的 8 段显示与单片机之间 连接了大电阻 R51R58，此处的电阻起了限流保护作用，避免了电流过大而致使的 单片机及数码管的烧坏。 3.1.43.1.4 功率接口电路功率接口电路 本设计中一共使用了三个功率接口，为系统提供加热、制冷、恒温 3 大功能。 图 3.7 功率接口电路 图 3.7 是本设计的功率接口电路，为了保证电路可以平稳工作，此处利用 MOC3083 光电耦合器和 BTA16 双向可控硅的功能来充当固态继电器来控制输出。 所谓的固态继电器是一种无触点通断型电子开关，是一种使用四脚连接源器件， 通过其中两个引脚为控制输入端，一般是以发光二极管那端为控制端，另外两个引脚 为输出受控端，通常是用光敏管来作为受控端。为避免外界的不必要因数及输入电压 过高而导致的烧坏现象，使用固态继电器实现输入与输出之间的电气隔离，器件采用 高耐压的专用光耦合器。 本设计选用了 MOC3083 光电耦合器来实现固态继电器的电器隔离功能， MOC3083 是把发光器件和光敏器件封装在一块芯片上面，通过电流的输入，发光二 极管发射出光线，令光耦合实现了电光转换，在通过光敏管，把光信号装变成电信 号继续传递，此过程实现了光耦合的光电的转换。所以 MOC3083 实现了信号从电 信号到光信号再到电信号的转换光电耦合器。 光电耦合器在传输信号的同时能有效地 压制尖脉冲和外界不相干干扰，使通道上的噪声信号大为减低，主要有以下几方面的 缘由： 12 1)光电耦合器的输入阻抗很小，而噪声源的阻抗往往较大。根据电压分压原理 剖析可得，即使噪声电压的幅度偏大，但由于电压分压原理，到达光电耦合 器输入端的电压会非常少，致使反馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压也会 很少，只能构成非常微弱的电流信号，此电流信号没有足够大而致使二极体 不能正常发光工作，从而被系统自动过滤掉，此处起到了噪声过滤的效果。 2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间存在电容，使两边产生了电气隔离， 切两边均没有接地，两者之间的分布电容非常小，并且绝缘电阻又足够大， 因此在输入端跟输出回路之间的各类干扰噪声都很难以经由光电耦合器传达 到另一边去，所以避免了共阻抗耦合的干扰噪声的产生，以确保了有效信号 的传递。 3)光电耦合器可起到优秀的安全保护功能，即使当外部设备出现意外故障，而 致使输入信号线路短接时，因为光耦合器件的输入和输出之间存在电容而产 生的电气隔离，此电气隔离的缘故，电路可以承受几千伏的高压，从而产生 了保护作用，所以仪表设备得以完整保护。 4)光电耦合器的回响速度极快，其回响延迟时间仅有几微秒左右，适用于对回 响速度要求很严格的范畴。 当输出信号经过 MOC3083 处理后，得到纯净的有效信号，通入 BTA16 双向可控 作为电子开关来控制 CN15 的工作。其中 BTA16 的工作原理如下： BTA16 双向可控硅阳极 A1 与阳极 A2 之间，不管输入电压是正是负，只要控制 极G与第一阳极A1之间存在正负极性差异的触发电压时， 便可触发导通呈低阻状态。 此时 A1、A2 间压降也约为 1 伏。双向可控硅一旦呈低阻状态导通后，即使失去触发 电压，也会继续维持导通低阻状态。唯独当通入阳极 A1 和阳极 A2 的电流减小，小 于保持工作电流或 A1、A2 间当电压极性改变而且没有触发电压时，双向可控硅才恢 复到截断呈高阻状态， 此时只要重新加载存在征服极性差异的触发电压才能够再一次 导通12。 13 图 3.8 MOC3083 原理图（左图）BTA16 结构图（右图） 当输入信号从单片机出来，通过 Q3-NPN 后，主电路呈导通状态，电流通过 MOC3083 的控制端引脚（发光二极管），从 1 脚流向 2 脚时，受控端 6 脚、4 脚产 生导通电流（光敏管），分别流向 BTA16 的第一阳极脚和控制极 G，使得双向可控 硅导通呈低阻状态，实现类似电磁继电器的开关功能，来控制 CN15 工作。 3.23.2 其他电路模块介绍其他电路模块介绍 3.2.13.2.1 MSP430F169IPMMSP430F169IPM MSP430 系列单片机称之为混合信号处理器，是由于为了满足单芯片能适应各种需 要，将多个不同功能的电路模块、I/O 模块、A/D 模块和微处理器集成在一个芯片上， 以供应多功能的“单片机”来解决方案。 该系列单片机多应用在需要电池供给电压的便 携式仪器仪表中。 其中 MSP430F169IPM 是本设计所选用的 CPU。 在 MSP430F169IPM 芯片中， 许多引脚都具有复合功能， 下面对本设计所用到的主要引脚功能进行说明13。 14 图 3.9 MSP430F169IPM 引脚图 表 3.10 MSP430F169IPM 部分引脚功能 引脚名称引脚编号I/O描述 DVCC1数字正电源端，提供所有部件电源。 VREF+7参考电压正端点位。 XIN8I基本振荡器 XT1 输入端。 此处连接了晶体振荡器下 文会介绍。 XOUT9I/O晶体振荡器 XT1 输出端。 VREF/VeREF11参考电压负端点位，内部参考电压。 P1.3/TA215I/O仅充当通用数字 I/O 口使用。 P1.2/TA114I/O仅充当通用数字 I/O 口使用。 P1.1/TA013I/O仅充当通用数字 I/O 口使用。 P1.0/TACLK12I/O通用数字 I/O；定时器 A 时钟输入。 P2.0/ACLK20I/O通用数字 I/O； 辅助时钟 ACLK 输出。 这里作为 LED 位选择使用充当 I/O 口 P2.3/CA0/TA123I/O通用数字 I/O；比较器 A 输入端；比较方式：OUT1 输入。这里作为 LED 位选择使用充当 I/O 口 P2.2/CAOUT/TA022I/O通用数字 I/O； 比较器 A 输出端； 捕获方式： CCIOA 输入。这里作为 LED 位选择使用充当 I/O 口 P2.1/TAINCLK21I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 位选择使用充当 I/O 口 15 P3.7/URXD135I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 h 端 P3.6/UTXD134I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 g 端 P3.5/URXD033I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 f 端 P3.4/UTXD032I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 e 端 P3.3/UCLK0/SCL31I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 d 端 P3.2/SOMI030I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 c 端 P3.1/SIMO0/SDA29I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 b 端 P3.0/STE028I/O通用数字 I/O。这里作为 LED 数码管 7 段现实中的 a 端 P4.1/TB137I/O通用数字 I/O。 这里作为加热管功率借口电路控制输 出 P4.2/TB238I/O通用数字 I/O。这里作为加热管功率借口电路输出 P4.0/TB036O通用数字 I/O。这里作为加热管功率借口电路输出 XT2OUT52I/O晶振 XT2 输出。 XT2IN53I/O晶振 XT2 输入。 RES/NMI58I复位输入或非屏蔽中断输入端。下文的复位电路中 会介绍。 P6.0/A059I/O通用数字 I/O。 通过热电偶放大电路输入到单片机进 行处理的输入端。 以上是本设计中所使用的端口，其他端口的功能未在设计中体现，不再一一介绍，其 他引脚的功能可参考附录。 3.2.23.2.2 复位电路复位电路 复位电路，就是利用它把电路复位到最开始的状态。就跟计算器的清零按钮的功 能一样，使计算器回到最开始的状态，重新开始工作。和计算器清零功能有所不同的 是， 复位电路驱动方式有所不同。 一是在给电路通入有效电信号后立即实施复位操作； 二是在单片机处于系统错误或由于操作有误导致程序奔溃无法工作时可以由手动操 作，实施复位操作；三是根据设定的程序或者电路运行的需要自行复位操作。本设计 的复位电路相对简单，只设计了手动复位电路，在元器件方面选择了电阻、电容以及 复位按钮组合就可以办到了。 16 图 3.11 复位电路 复位电路工作原理如图 3.11 图所示，当 key2 断开时，由于 C2-5 左端接地，右端 接电源，所以 C2-5 充电，当 key2 闭合的瞬间，由于电容充电，电容右边电势高，会 通过 key2 接地放电， 此时 RESET2 电势归零， 使得单片机系统执行复位操作； 当 key2 断开，C2-5 会充电 reset2 口也有电压，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下 key2，C2-5 放电，使得电势归零，使得单片机复位14。 3.2.33.2.3 时钟电路时钟电路 时钟电路就是单片机中产生像时钟般的精准的振荡电路。对于单片机来讲，时钟 信号尤为关键，单片机的任何指令工作都需要按时间次序来履行。本设计通过参考资 料选用的时钟电路是采用了晶振经由振荡电路起振构成与晶振频率响应的时钟信号， MSP430 单片机在时钟信号的作用下，能够平稳地运行程序指令，完成指令要求的任 务。 图 3.12 时钟电路 17 4 4温度控制系统软件部分温度控制系统软件部分 4.14.1 程序设计语言选择程序设计语言选择 4.1.14.1.1 C C 语言语言 C语言作为一门普遍通用的计算机编程语言， 已经普及运用到各个领域范畴当中。 C 语言的设计方针是为使用者提供一种能以简捷的方式编译、高效地处理低级存储 器、 尽量少产生机器码和不需要任何运行环境支持的前提下都可以独立运行的编程语 言15。虽然 C 语言提供了许多基本功能，但它依然保持着优秀的跨平台的特性，以 统一标准格式撰写的 C 语言程序可以在各类的电脑平台上进行编译运行，甚至包含 一些嵌入式处理器以及超级电脑等作业平台也同样适用。 4.1.24.1.2 C C 语言与汇编语言对比语言与汇编语言对比 相对于 C 语言，汇编语言是用语言直接调控硬件，由硬件间相互传递而达到某种 控制效果。而 C 语言是一种相对高级的程序设计语言，编写者可以不用去思量硬件 而直接去命令计算机工作达到想要的控制效果。两者相对比，汇编语言对描述过程更 为重视，C 语言的高级语言更注重描述结果。汇编语言作为一个符号化的机器语言， 其代码履行效率高，运行速度快，对 DSP 内核控制管理便利，可以充分发挥 DSP 的 硬件机能，非常适合于编写即时性要求严格的控制编程。但其开发编写的工作量大， 程序的可读性差，对比之下，C 语言具备可读性强、编程简略和调试方便等特色。 C 语言是当今十分流行的一种编程设计语言，除了具备高级语言应用灵活通用、 数据处理能力强、程序结构清晰易懂等优点。若程序设计需要，C 语言还可实现汇编 语言的大部分功能，如可直接对硬件进行操作控制。因此若工程上对硬件处理速度要 求不高的情况下，基本选用用 C 语言来代替汇编语言，编写接口电路的控制软件。 即使 C 语言功能强大，但 C 也不可能完全代替汇编语言，如在一些对速度要求十分 高的实时控制系统中，以及对硬件的特殊控制方面，C 语言的表现能力相对逊色，还 是需要选用汇编语言来编写程序。由于汇编语言目标代码简练清晰，对硬件直接控制 能力更强和执行速度更快16。 由于本设计对硬件处理速度上要求不高，根据两者之间的优势，在温控系统程序 设计语言上的选择，本设计选用了 C 语言来编写软件程序。 18 4.24.2 温度控制软件设计（流程图）温度控制软件设计（流程图） 开始 系统初始 采集温度值 温度达到预设温度？ 加热 显示温度 结束 图 4.1 温度控制系统软件工作流程图 是 否 19 4.34.3 数据采集及转换模块数据采集及转换模块 4.3.14.3.1 K K 型热电偶所测温差程序型热电偶所测温差程序 unsigned Cal_TemperK() unsigned long int TemperK;/ 保存测温值的变量 P6SEL=BIT0;/ 使能外部 IO 口的 AD 功能 ADC12CTRL0=ADC12ON+SHT0_2;/ 模块允许，设定采样定时器时 间 ADC12CTRL1=SHP;/ 使用内部采样定时器 ADC12CTRL0|=ENC;/ 模块允许 ADCMEMCTRL0=INCH_0;/ 使用通道 0 寄存器 ADC12CTRL0|=ADC12SC;/ 开始转换 while(ADC12IFG/ 读取转换值 TemperK=TemperK*3300; TemperK=TemperK/16790;/ 计算测量得到的温度 return TemperK; 4.3.24.3.2 K K 型热电偶所测温度计算公式推导型热电偶所测温度计算公式推导 根据 K 型热电偶的参考数据可得，K 型热电偶的温度系数为：41V/ 经过热电偶放大电路放大处理后，K 型热电偶的温度系数被放大了 100 倍，得到 4100V/=4.1mV/ 则实际温度 TemperK 为： mV/1 . 4/ )3300* 4096 Vx (TemperKmV（4.1） 式中：Vx实际的数字转换的数字输入量，ADC 转换得到 12 位二进制的数值。 409612 位二进制的最大值。 3300mV是 AD 转换的参考电压 20 4.3.34.3.3 内部冷端补偿值计算程序内部冷端补偿值计算程序 unsigned long int Cal_Temper_Indoor() unsignedlongint temp; unsignedlongint TemperC;/ 存储室温值 ADC12CTL0 = SHT0_8 + REFON + ADC12ON;/ 设置采样时间，模块工作 允许，内部参考电压 ADC12CTL1 = SHP;/ADC 采样使用内部定时器 ADC12MCTL0 = SREF_1 + INCH_10;/ 参考电压 1.5v，通道 10， 专用的测温通道 ADC12CTL0 |= ENC;/ 允许转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC;/ 开始转换 /oC = (x/4096)*1500mV)-986mV)*1/3.55mV = x*423/4096 - 278 /IntDegC = (ADC12MEM0 - 2692)* 423/4096 while(ADC12IFG / 软件查询，等待转换结束， temp=ADC12MEM0;/ 取出转换的结果 TemperC = (temp - 2692) * 423; TemperC = TemperC / 4096;/ 计算得到温度值 return TemperC;/ 21 4.3.34.3.3 内部冷端补偿值计算推导内部冷端补偿值计算推导 根据MSP430x1xx Family Users Guide的17.2.8 Using the Integrated Temperature Sensor 中描述17， 图 4.2 典型的温度传感器的传递函数 有图 4.2 可得，对其进行单位转换： mVTEMPVTEMPVccTEMP98655. 3986. 000355. 0(4.2) 相关的数字推导： mV Vx VTEMP1500 4096 (4.3) 根据结合（4.3）和（4.2）得到： 4096 )2692(423 55. 3)9861500 4096 ( Vx mV Vx TEMPc（4.4） 式中： TEMPc内部温度冷端补偿的温度值 1500mV是 AD 转换的参考电压 22 4.3.44.3.4 温度控制系统显示温度温度控制系统显示温度 根据式子（4.1）和（4.3）可得： 实际温度值（显示温度）： TemperActual = TemperK + TEMPc（4.5） 式中： TemperK K 型热电偶所测温度 TEMPc 内部温度计算（冷度补偿值） 5 5温度控制系统实验温度控制系统实验灯泡温度测控灯泡温度测控 5.15.1 实验目的实验目的 验证温度测量的硬件电路实现方法， 掌握测量的信号放大处理、 单片机系统处理、 现实系统处理和功率接口的工作原理。 测试出经过温度控制后的灯泡在常温中加热的 曲线，计算出温度控制的误差范围，对温度控制系统稳定性作出误差分析。 5.25.2 实验方法原理分析实验方法原理分析 用 K 型热电偶作为传感器，温度系统的加热管功率输出口连接到灯泡上，在 PC 系统上设定好目标温度值，使温控系统在电灯泡的温度改变下进行加热功率控制，当 温度未达到目标温度值时，单片机的输出控制信号依然是为加热功率接口提供电源； 当温度达到温度值后，单片机的输出控制信号会使加热功率接口断开电源，从而达到 温度控制的效果。此实验仅使用加热功率借口电路功能，来验证温度控制系统设计的 正确性18。 5.35.3 实验设备实验设备 1)被控设备：200w 的电灯泡 2)测温仪器：红外测温仪 3)操作仪器：PC 系统 4)控制系统：温度控制 23 5.45.4 实验步骤及操作实验步骤及操作 1)接线：按照温度控制系统硬件部分要求接线，将信号采集端 CN2 连接到热电 偶传感 器，将传感器紧贴在灯泡的表面上，再将输出端 CN15 用电线连接至 电灯泡，检查没有连接错误后，给单片机上电，完成电路接线工作。 2)温控系统准备工作：完成接线工作后，在 PC 操作系统上通过键盘输入设定 好目标温度后，完成温控系统准备工作。 3)数据测量：在 PC 操作系统上点击开始工作，每隔 5 分钟记录温度控制系统 显示电 路的数值，并且用红外测温仪对灯泡进行温度测量，共需要测量 12 个数据。 4)数据归纳：将系统所得温度值与红外测温仪的数据进行归纳处理后，进行数 据对比 和误差分析等后续工作。 图 5.1 温度控制系统 5.55.5 实验数据总结实验数据总结 由温度控制系统所记录数据如下： 表 5.2 温度控制系统记录数据 时间/分钟051015202530 温度/摄氏度28.166.481.380.580.579.479.8 时间/分钟354045505560 温度/摄氏度80.281.280.879.479.580.3 24 根据温控系统说记录的数据，自动绘出的温度-时间曲线如下： 图 5.3 温度控制系统温度曲线 由红外测温仪所记录的数据如下： 表 5.4 红外测温仪记录数据 时间/分钟051015202530 温度/摄氏度28.566.981.580.980.680.180.3 时间/分钟354045505560 温度/摄氏度80.381.681.179.679.980.6 根据红外测温仪器记录的数据，自动绘出的温度-时间曲线如下： 图 5.5 红外测温仪温度曲线 根据两组数据对比可得，温控系统所得数据基本符合实际情况，温度都控制在目标温 度 80 摄氏度。 25 5.65.6 数据处理及误差分析数据处理及误差分析 由于实验的前十分钟温度控制系统处于加热状态，起所获得的数据不具有代表性，所 以在数据分析的过程中不归类为分析对象。 5.6.15.6.1 红外测温仪数据误差计算红外测温仪数据误差计算 红外测温仪的所测温度平均值： 59.80 11 6 .806 .809 .805 .81 11 60201510 TTTT T( 5.1 ) 各次测量偏差： 9 . 0809 .80T 5 . 1805 .81T 2 1 6 . 080-6 .80T10 平均绝对误差： 62. 0 11 6 . 09 . 05 . 1 T ( 5.2 ) 最终结果为：62. 059.80 根据（5.1）和（5.2）所得，温度最大偏移量为 81.21K，