自动温度控制系统

1 自动温度控制系统自动温度控制系统 摘要摘要 本系统采用 MSP430F149 单片机作为温度控制的核心 利用 DS18B20 温度 传感器 1602 液晶显示器 TEC1 12704 半导体制冷芯片等器件 实现对盒子 的实时监视与控制 本系统采用 PID 模糊算法控制 PWM 脉冲信号的输出 进 而实现制冷芯片的自动控制 从而达到对盒内空气的精确升温和降温 整个系 统设计功能明确 操作简单牢靠 液晶显示简洁实用 整个系统的电路结构相 对简单 可靠性能较高 系统大多采用实际应用广泛的元器件 成本较低 通 用性和可移植性较好 本设计创新点在于引入了 PID 模糊控制 充分发挥 MSP430 系列单片机低 功耗的优点 并结合其强大外围模块实现预期效果 该系统主要功能明确 简 捷实用 总体运行稳定 经实验测试 该自动控制系统总体上满足赛题的基本 要求 发挥部分温度稳定性控制有一定实现 2 引言引言 半导体热电致冷器 Thermo E1ectric Cooler 简称 TEC 具有体积小 无噪音 无污染等特点 TEC 依靠热交换 用一面吸热另一面放热实现加热制冷 因 TEC 电功率几乎全部转化为热能 仅在 TEC 吸热面热交换量大于发热量的一半 假定电功率产生的热量在两面平均分配 时 且当放热面有效散热时 TEC 吸 热面才能制冷 吸热面吸热量 QIN QJ 一 QF 2 放热面散热量 QOUT QJ QF 2 TEC 吸热面或放热面由 TEC 电流决定 电流反向时 吸 热面与放热面相互转换 这样通过控制 TEC 两端的电压 即可达到加热与制冷的双重功效 一一 方案选择与论证方案选择与论证 1 单片机的选择 采用的 MSP430F149 是 TI 公司推出的 MSP430 系列超低功耗微控制器中 的一种 其内集成了 12 位精度的 A D 转换模块 ADC12 具有高速 最大采样 速率可达 200ksps 通用的优点 它可以对 8 个外部模拟信号之一或 4 个内部 电压之一进行转换 在本系统中 可以对数字温度传感器进行采样 2 显示模块的选择 液晶显示器具有微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧的诸多优点 这里采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器 1602 其模块内部的字符发生存储器 CGROM 存储了160个不同的点阵字符图 形 以供显示 1602采用标准的14脚接口 其中 D0 D7为8位双向数据线用于传 送数据 制冷芯片精确控制模块 3 温度控制模块的选择 方案一 方案一 采用继电器形成开关电路 实现对芯片外加电压的正反向控制 此方案优点是可以较好的达到利用PWM脉冲波实现开关功能 不足之处在 于 电磁继电器的反应时间为ms级 相比于脉冲波而言反应时间太长 无法达到 精确控制 并且 固态继电器反应时间能达到要求 但所需数量较多 且价格昂 贵 成本升高 方案二 方案二 采用专用芯片UC3638的PWM双极性电流控制器实现对制冷芯片的电流 控制 此方案控制精度高 但其调制电路电流过大 高达20A 远大于所选制冷芯 片的额定电流 极容易烧坏芯片 且电路连接较为复杂 调节困难 方案三 方案三 采用NPN管9013对PWM输出控制信号进行放大和电平移位 采用光耦 TLP521 2实现控制信号和工作信号的隔离 采用N沟道管IRF540作为上下管构成 H桥电路可以简单地实现电压的反向控制 电子开关的速度很快 稳定性也很强 是一种广泛采用的电压转向电路 且PWM调节方案可以很方便地在程序中实现 减少了硬件电路 基于上述分析 拟选择实用可靠的方案三 3 二二 理论分析与计算理论分析与计算 1 系统的总体设计方案 采用 MSP430F149 单片机作为控制核心对传感器送来的信号进行分析处理 以 LED 数据显示和 I O 端口输出 PWM 脉冲信号控制制冷芯片的工作 系统总体框图如图 1 所示 电源 温度测量模块 MSP430 系列 单片机 温度显示和设定 芯片电压的 正反向控制 图 1 2 系统的硬件电路设计与主要参数计算 硬件部分主要有四个模块组成 电源部分 传感器部分 显示和键 盘部分 单片机控制模块 1 电源的硬件电路设计与实现 采用 7805 和 7812 实现 220 交流市电到直流电 5V 和 12V 的稳定输出 采用 LM317 实现 220 交流市电到直流电 20 的稳定输出 采用开关电源为制冷芯片提 供功率 设计框图如图 2 所示 13 2 VV G ND INO UT 78LS 12 13 2 VV G ND INO UT 78LS 12 13 2 VV G ND INO UT 78LS 09 13 2 VV G ND INO UT 78LS 05 2200uF0 1uF 2200uF0 1uF 330uF0 1uF 0 1uF330uF 220V 9V 5V 图 2 2 温度传感器 18B20 的硬件电路设计与实现 DS18B20 采用外接电源工作方式 VCC 端用 3V 5 5V 电源供电 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 并用 16 位符号扩展的二进制补码形式输 出温度值 以 0 0625 LSB 形式表达 DS18B20 采用单总线工作方式 由于 所有信号 控制和数据 都通过单总线传输 因此总线的时序逻辑必须非常严 格 设计框图如图 3 所示 4 传传传 P3 0 U cc G ND 传传传 R 4 7K 5 D S18B 20 图 2 3 显示和键盘电路的设计和实现 显示温度传感器测得的值及设定所要达到的降温或升温值原理如图 4 单片 机与液晶显示器通过 LED 驱动电路相连接 实时显示温度值 设计框图如图 3 所示 图 3 4 制冷芯片的外部硬件电路设计与实现 本电路采用的是基于 PWM 的 H 型电路 单片机输出的信号经光电耦合后到 达由 N 沟道 MOS 管 IRF540 组成的 H 型高效电桥 控制制冷芯片的电压正反向 并且保证芯片工作时 4A 的大电流 当输入 1 为高电平 输入 2 为低电平时 MOS 管 Q2 Q3 导通 Q1 Q4 截止 制冷芯片正向导通制冷 当输入 1 为低电平 输入 2 为高电平时 MOS 管 Q1 Q4 导通 Q2 Q3 导通制冷芯片正向导通加热 对于输入 1 输入 2 这对控制电压通过对输出信 号占空比的调整达到对芯 片的精确控制 电路原理图如图 4 所示 5 47 0 47 0 47 0 47 0 5 51 0K51 0K 17 12 传传传传 图四 三 系统软件设计三 系统软件设计 系统软件完成对传感器采集的数据进行处理 实现数据的显示 温度的设 置 制冷芯片的精确加热或制冷控制 主程序先调用初始化命令 启动风扇 用于加快系统内空气的循环 查询是否 设定温度 通过调用中断实现 并同时测量系统内的适时温度 如果进行了温 开始 初始化 温度测量 设定温度 等待 设定温度 NO YES 测量温度大于 设定温度 制冷 YES 加热 NO 测量温度等于 设定温度 报警 YES 结束 NO 启动风扇 6 度的设定 则将设定温度与测量温度相比较 当设定温度高于测量温度时 单 片机给制冷芯片输入正向电流 进行降温处理 当设定温度低于测量温度时 单片机给制冷芯片输入反向电流 进行升温处理 如果没有进行温度设定 则 等待 当系统完成制冷或加热处理后 再次将设定温度与测量温度相比较 重复上述 操作 直到两者相等后发出声信号 四 测试方案与测试结果四 测试方案与测试结果 第一次第二次第三次第四次第五次 温度可调 显示范围 最小分度 高温 40 10 低温 6 06 高温 41 30 低温 5 60 高温 42 10 低温 5 80 高温 39 60 低温 6 12 高温 40 60 低温 6 32 温度显示 与设定 矩阵键盘的有效范围 精度 1 设定温度测 试 可调范围内的有效值基本都能实现 温差 15 时 调节时间 s 30 15 252 15 30 250 30 15 230 15 30 243 30 15 260 15 30 254 30 15 262 15 30 238 30 15 242 15 30 246 温度稳定后 波动范围 1 10 2 0 其他该系统操作简洁方便 使用有效 波动和异常情况较少 五 结果分析五 结果分析 由测试结果可知 该温度自动控制系统基本实现了 智能 自动化控制 基 本能够实现赛题基本要求部分的指标要求 发挥部分除去第三项外也有所实现 系统特点在于可操作性强 成本较低 整体性价比较高