基于MSP430单片机的温度测控装置的设计.doc

2012届届 分 类 号 TP368 1 单位代码 10452 本科专业职业生涯设计 基于基于 msp430msp430 单片机的温度测控装置的设计单片机的温度测控装置的设计 姓 名 学 号 年 级 专 业 系 院 指导教师 2012 年 3 月 19 日 摘 要 温度是工业控制中主要的被控参数之一 温度的控制在工业 农业及其他诸多的 领域中已成为一个重要的环节 能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到整个活 动的成败 由于控制对象的多样性和复杂性 导致采用的温控手段的多样性 本文设 计了一种基于 MSP430 单片机的温度测控装置 利用该装置可以实现对温度的监控测量 并且能够根据设定值对环境温度进行调节 以实现控制温度的目的 控制算法基于数 字 PID 算法 关键词 430 单片机 温度测控 PID ABSTRACT The temperature is the main accused of one of the parameters in industrial control temperature control in industry agriculture and many other areas has become an important part in the success of the temperature control relates to the activities required withinsuccess or failure Control the diversity and complexity of the object leading to the diversity of the temperature control means This paper designs a MSP430 microcontroller based temperature measurement and control devices the device can be achieved on the monitoring of the temperature measurement and the ability to adjust settings on the ambient temperature in order to achieve the purpose of temperature control The control algorithm is based on a digital PID algorithm Key words 430 single chip temperature measurement and control PID 目目 录录 1 1 引言引言 1 1 2 2 选题依据选题依据 1 1 2 1 温度控制器的发展概况及现状 1 2 2 MSP430 单片机系列简介 1 2 3 MSP430 单片机的特点 2 2 3 1 强大的处理能力 2 2 3 2 超低功耗 2 2 3 3 系统工作稳定 2 2 3 4 丰富的片上外围模块 2 2 3 5 方便高效的开发环境 3 2 4 MSP430 系列的内部结构概述 3 3 3 方案设计与论证方案设计与论证 4 4 3 1 整体方案设计 4 3 2 温度传感器方案 5 3 3 信号放大部分设计 6 3 3 1 共发射极放大器结构简介 6 3 3 2 共发射极放大器组成原则 7 3 4 提示报警系统方案 8 3 4 1 报警模块设计 8 3 4 2 显示模块设计 8 3 4 3 系统软件设计 9 3 5 控制系统设计 11 3 5 1 软件设计 11 3 5 2 数字 PID 13 3 5 3 PID 参数的选择方法 14 3 5 4 PID 控制评价 16 4 4 结论结论 1616 参参 考考 文文 献献 1717 致致 谢谢 1818 1 1 引言引言 温度是工业控制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 具有举足轻重的作用 随着电子技术和微型计算机的迅速发展 微机测量和控制技术得到了迅速的发展 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 量与控制方面 控制简单方便 测量范围广 精度较高 2 2 选题依据选题依据 2 12 1 温度控制器的发展概况及现状温度控制器的发展概况及现状 在工农业生产和日常生活中 对温度的测量及控制占据着极其重要地位 而温度 测控系统也应用于诸多领域之中 在粮食存储过程中对温度要求是特别的严格 装设 温度监控系统以后 能实时检测粮仓中的温度 确保粮仓内合适的温度环境 应用十 分方便和灵活 在其他领域 消防电气的非破坏性温度检测 电力 电讯设备之过热 故障预知检测 空调系统的温度检测 各类运输工具之组件的过热检测 保全与监视 系统之应用 医疗与健诊的温度测试 化工 机械等设备温度过热检测 装设温度检 测控制系统以后是十分必要的 因此温度测控装置的应用十分广阔 2 22 2 MSP430MSP430 单片机系列简介单片机系列简介 MSP430 系列是一个 16 位的 具有精简指令集的 超低功耗的混合型单片机 在 1996 年问世 由于它具有极低的功耗 丰富的片内外设和方便灵活的开发手段 已成 为众多单片机系列中一颗耀眼的新星 MSP430 系列由于具有 Flash 存储器 在系统设计 开发调试及实际应用上都表现 出较明显的优点 这是 TI 推出具有 F1ash 型存储器 MSP430 单片机的开始 TI 在推出 Flash 系列的同时 开发了基于 Flash 存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉 价开发工具 FET430X110 将国际上先进的 JTAG 技术和 Flash 在线编程技术引入 MSP430 2 这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合的开发方式 具有方便 廉价 实 用等优点 给用户提供了一种较为理想的样机开发方式 在 2003 年中 TI 还推出了专门用于电量计量用的 MSP430FW42X 和 M S P 4 3 0 F E 4 2 X 我们相信 由于 MSP430 的开放性的基本架构和新技术的应用 新的 MSP430 的产品品种必将会不断出现 2 32 3 MSP430MSP430 单片机的特点单片机的特点 2 3 1 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机 采用了精简指令集 RISC 结构 具有 丰富的寻址方式 7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 27 条内核指令以 及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算 还有高效 的查表处理方法 有较高的处理速度 在 8MHz 晶体驱动下 指令周期为 125 s 这些 特点保证了可编制出高效率的源程序 MSP430 系列单片机的中断源较多 并且可以任 意嵌套 使用时灵活方便 2 3 2 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗 是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可 控的运行时钟方面都有其独到之处 首先 MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1 8 3 6V 电压 因而可使其在 1 MHz 的时钟条件下运行时 芯片的电流会在 0 1 400 A 之间 其次 独特的系统时钟系统的设计 在 MSP430 系列中有两种不同的系统时钟系统 基本时钟系统和锁频环 FLL 和 FLL 时钟系统 有的使用一个晶体振荡器 32768Hz 有的使用两个晶体振荡器 一个为 32768Hz 另一个为高频振荡器 由 系统时钟系统产生 CPU 和各功能模块所需的时钟 并且这些时钟可以在指令的控制下 打开和关闭 从而实现对总体功耗的控制 3 由于系统运行时打开的功能模块不同 即采用不同的工作模式 芯片的功耗有着显著不同 2 3 3 系统工作稳定 上电复位后 首先由 DCOCLK 启动 CPU 以保证程序从正确的位置开始执行 保证 晶体振荡器有足够的起振及稳定时间 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定 最后的系统时钟频率 如果晶体振荡器在用作 CPU 时钟 MCLK 时发生故障 DCO 会自 动启动 以保证系统正常工作 如果程序跑飞 可用看门狗将其复位 2 3 4 丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设 它们分别是看门狗 WDT 模拟比较器 A 定时器 A 定时器 B 串口 0 1 USART0 1 硬件乘法器 液晶驱动 器 基本定时器等的一些外围模块的不同组合 其中 看门狗可以使程序失控时迅速 复位 模拟比较器进行模拟电压的比较 配合定时器 可以设计为 A D 转换器 16 位 定时器具有捕获 比较功能 大量的捕获 比较寄存器 可用于事件计数 时序发生等 2 3 5 方便高效的开发环境 目前 MSP430 系列有 OTP 型 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件 这些器件的开发 手段不同 对于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片 对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境 因为器件片内有 JTAG 调试接口 还有可 电擦写的 FLASH 存储器 因此采用先下载程序到 FLASH 内 再在器件内通过软件控制 程序的运行 由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发 这种方式 只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器 而不需要仿真器和编程器 开发语言有汇编语 言和 C 语言 4 适应工业级运行环境 MSP430 系列器件均为工业级的 运行环境温度为 40 85 所设计的产品适合运行于工业环境下 2 42 4 MSP430MSP430 系列的内部结构概述系列的内部结构概述 MSP430 系列器件包含 CPU 程序存储器 ROM OTP 和 Flash ROM 数据存储器 RAM 运行控制 外围模块 振荡器和倍频器等主要功能模块 其基本结构如图 1 5 所示 图 1 msp430 单片机基本结构图 可以看出 MSP430 内部包含了计算机的所有部件 是一个真正的单片机 微控制器 MCU CPU 由一个 16 位的 ALU 16 个寄存器和一套指令控制逻辑组成 在 16 个寄存器中 程序计数器 PC 堆栈指针 SP 状态寄存器 SR 和常数发生器 CGl CG2 这 4 个寄存器有特殊用途 除了 R3 和 R2 外 所有寄存器都可作为通用寄存 器来用于所有指令操作 常数发生器是为指令执行时提供常数的 而不是用于存储数 据的 对 CGl CG2 访问的寻址模式可以区分常数的数据 在 CPU 内部有一组 16 位数 据总线和 16 位的地址总线 CPU 运行正交设计 对模块高度透明的精简指令集 PC SR 和 SP 配合精简指令组所实现的控制 使应用开发可实现复杂的寻址模式和软件 算法 6 存储器 MSP430 系列采用 冯 纽曼结构 因此 RAM ROM 和全部外围模块 都位于同一个地址空间内 即用一个公共的空间对全部功能模块进行寻址 支持外部 扩展存储器是将来性能增强的目标 特殊功能寄存器及外围模块安排在 000H 1FFH 区域 RAM 和 ROM 共享 0200H FFFFH 区域 数据存储器 RAM 的起始地址是 0200H 3 3 方案设计与论证方案设计与论证 本课题是要求利用 MSP430 单片机设计一个温度检测系统 要求方便 安全 要求 测量温度时 在温度超过预定值的时候 能自动报警 并且能够启动降温系统对温度进 行控制 本设计中采集温度用 MSP430 单片机完成 MSP430 单片机是 TI 公司具有代表 性的一种超低功耗单片机 其处理功能强大 功耗非常低 3 13 1 整体方案设计整体方案设计 单片机温度控制系统是以 MSP430 单片机为控制核心 整个系统硬件部分包括温度 检测系统 信号放大系统 提示报警系统 A D 转换 单片机 I O 设备 控制执行系 统等 单片机温度控制系统控制框图如图 2 所示 温 度 采 集 信 号 放 大 滤 波 单 片 机 温度控制温度调节 提 示 报 警 图 2 单片机温度控制系统控制框图 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 理的范围内 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行采样 为进一步提高测量精度 采样后对信号再进行数字滤波 7 单片机将检测到的温度信 息与设定值进行比较 如果不相符 数字调节程序根据给定值与测得值的差值按 PID 控制算法设计控制量 触发程序根据控制量控制执行单元 如果检测值高于设定值 则启动制冷系统 降低环境温度 如果检测值低于设定值 则启动加热系统 提高环 境温度 达到控制温度的目的 3 23 2 温度传感器方案温度传感器方案 方案一 采用热敏电阻温度传感器 如 MF5E 采集温度数据 该温度传感器使用 热敏电阻作为主要元件 利用其电阻值随温度变化而显著变化的特点 可直接将温度的 变化转为电量的变化 热敏电阻精度和灵敏度也符合要求 方案二 采用数字温度传感器 DS18B20 采集温度数据 采集的数据不用作任何处 理直接送给单片机 因为其为单总线器件 所以接口相对简单 8 而且相比热敏电阻 传感器 其精度和灵敏度也符合一定要求 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 电路极为简单 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 当温度升高时 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 因为温度要求不高 是在室温环 境下 热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系 9 这样可以通过电阻分压简单地 将温度值转化为电压值 给热敏电阻通以恒定的电流 可得到电阻两端的电压 根据 与热敏电阻特性有关的温度参数 To 以及特性系数 k 可得下式 T To kV t 1 式中 T 为被测温度 根据上式 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 必须经过放大 将热敏电阻测量到的电信号转化为 0 3 6 之间 才能在单片机中使用 图 3 为放大电路原理图 10 稳压管的稳压值为 1 5V C2 R5 R2 R6 R8 R R7 P R1 R4 R9 1 R3 Rg RP2 图 3 热敏电阻温度传感器电路图 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行处理 以提高信号的抗干 扰能力 本系统采用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通 滤波电路的截止频率 FH 10kHz 3 33 3 信号放大部分设计信号放大部分设计 电压放大器的任务是对输入的电压信号进行放大 要放大的信号是由温度传感器 送来的 根据电压信号随时间发生的微弱变化 利用放大器可以将这些微弱的电信号 放大到足够的强 并将放大后的信号输送到单片机进行分析 对电压信号进行放大是 电压放大器的主要任务 3 3 1 共发射极放大器结构简介 A2 A1 A3 12v 热 敏 电 阻 共发射极放大器 能够把输入的交流信号电压叠加在直流电压上 使晶体管基极 发射极之间的正向电压发生变化 通过晶体管的控制作用 使集电极电流有更大的变 化 它的变量在集电极电阻上产生大的电压变量 从而实现电压放大 共发射极电压放大器电路的组成如图 4 所示 C2 C1 V RC Rb UO RL Ui Vbb VCC 图 4 共射极基本放大器 1 集电极电源 VCC是放大电路的能源 为输出信号提供能量 并保证发射结处于正 向偏置 集电结处于反向偏置 使晶体管工作在放大区 VCC取值一般为几伏到几十伏 2 晶体管 V 是放大电路的核心元件 利用晶体管在放大区的电流控制作用 即 Ic Ib的电流放大作用 将微弱的电信号进行放大 3 集电极负载电阻 Rc是晶体管的集电极负载电阻 它将集电极电流的变化转换为 电压的变化 实现电路的电压放大作用 Rc一般为几千欧到几十千欧 4 基极电阻 RB以保证工作在放大状态 改变 RB使晶体管有合适的静态工作点 RB 一般取几十千欧到几百千欧 5 耦合电容 C1 C2 起隔直流 通交流的作用 在信号频率范围内 认为容抗近 似为零 所以分析电路时 在直流通路中电容视为开路 在交流通路中电容视为短路 C1 C2 一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容 3 3 2 共发射极放大器组成原则 共发射极放大电路又称反相放大电路 其特点为电压增益大 输出电压与输入电 压反相 低频性能差 适用于低频 和多级放大电路的中间级 1 直流电源要设置合适静态工作点 并作为输出的能源 对于晶体管放大电路 电源的极性和大小应使晶体管基极与发射极之间处于正向偏置 而集电极与基极之间 处于反向偏置 即保证晶体管工作在放大区 2 电阻取值得当 与电源配合 使放大管有合适的静态工作电流 3 输入信号必须能够作用于放大管的输入回路 4 当负载接入时 必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载 从而 使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压 3 43 4 提示报警系统方案提示报警系统方案 3 4 1 报警模块设计 采用三极管驱动蜂鸣器来提示用户 电路较简单 价格便宜 也能将蜂鸣器前面 加驱动电路 驱动喇叭 扩大音效 实用方便 能达到很好的提示和报警作用 此报警电路的输入引脚由单片机的 P3 1 控制 其中 光电耦合器件实现电一光 一电的隔离 在现场环境较恶劣时 能有效地破坏干扰源的进入 可靠地实现信号的 隔离 报警的上 下限由软件设置 当温度传感器采集到的值超出报警范围时 令 P3 1 1 则可实现蜂鸣器报警 图 5 11 为报警电路的实现 5V R15 P31 D1 R14 Q1 007 C11 9013 3A 扬声器 图 5 蜂鸣器报警电路 3 4 2 显示模块设计 显示器模块由共阳极数码管和驱动芯片 75451 74LS244 组成 单片机 I 0 13 输 出高电平时输出的电流很小 故采用 75451 对电流信号进行放大 控制数码管的位选 线 由于电平不兼容 故采用芯片 74LS244 连接单片机和数码管的 a b c d e f g dp 字段 其中 单片机的 P1 4 P1 7 与 75451 的输入相接 对共阳极数码管的 4 位实现位选 单片机的 P2 0 P2 7 与驱动芯片 74LS244 的输入 连接 控制显示的数据 例如 要想将第三位数码管显示 0 就需要将第三位的位选线 3H 接高电平 8 个发光二极管 a b c d e f g dp 中的 6 个字段 8 b c d e f 亮 3 4 3 系统软件设计 系统采用C语言进行程序设计 大大提高了开发调试工作的效率 主处理模块首先 完成初始化工作 初始化后进入循环处理 在循环过程中主处理模块获得采集模块的 数据 并将数据进行处理 根据处理后的结果来进行显示或者报警 由于报警的上限 和下限需要设置 因此主程序先检查FLASH里面的温度传感器EEROM里的温度报警门限 是否需要修改 如果需要修改则进行等待修改数据 设置完后才进入下一步处理 当设置的标志为变为1时 定时器A到来 单片机停止对温度传感器采集的数据的 A D转换 读取数据 读取完毕后再启动A D转换 系统流程图如图6所示 程序初始化 打开中断 读取内存 修改数据 等待修改数据 启动定时器 N Y 定时器 A 中断 停止 A D 转换 读取数据 启动 A D 转换 设置标志 图 6 系统流程图 首先 通过温度传感器采集现场的数据 将采集的数据送给单片机MSP430 利用 LED显示当前现场的温度 当测得的数值超过预先设定的温度值时 由单片机控制进行 声光报警 数据处理 数据超限 数据显示 报警 Y N 3 53 5 控制系统设计控制系统设计 3 5 1 软件设计 单片机温度控制器控制温度时采用通断控制的控制方法 通过改变给定控制周期 内加热和制冷设备的导通和关断时间 来提高和降低温度 以达到调节温度的目的 软件设计中选取控制周期 Tc 为 200 T1 x C 导通时间取 Pn x T1 x C 其中 Pn 为输出的控制量 Pn 值介于 0 200 之间 T1 为定时器定时的时间 C 为常数 由上两 式可看出 通过改变 T1 定时时间或常数 C 就可改变控制周期 Tc 的大小 温度控制器 控制的最高温度为设定后 当给定温度超过设定值时以设定值计算 图 7 为采样中断 流程图 开始 堆栈保护 读入上一次采样 值 采样完毕 调用平均值滤波子程序 温度显示 调用 PID 子程序 退出采样过程 启动 T1定时中断 结束 N Y 图 7 采样中断流程图 数模转换部分使用 MSP430 单片机自带的 12 位 A D 转换器 能同时实现数模转换 和控制 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 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行 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行显 示 同时 按照 PID 算法 对温度采样值和给定值之间的偏差进行控制 得到控制量 采样全过程完成后就可屏蔽采样中断 同时启动 T1 定时 12 进入控制过程 温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化 因此在程序 中不需要对测量数据进行线性校正 MSP430 的 T1 定时器中断作为控制中断 温度采样 过程和控制输出过程采用了互锁结构 即在进行温度采样 温度值处理和运算等过程 时 T1 不定时 待采样全过程进行完时再启动 T1 定时并同时屏蔽采样中断 T1 定时开 始就进入控制过程 在整个控制过程中都不采样 直到 200 T1 x C 定时时间到 要 开始新一轮的控制周期 在启动采样的同时屏蔽 T1 中断 图 8 为 T1 定时中断流程图 堆栈保护 开始 屏蔽 T1中断 启动 A D 重置 M 200 M 0 M M 1 N 0 输出控制信号 置低 输出控制信号 置高 Y N N Y 图 8 T1 定时中断流程图 图中 M 代表定时器控制周期计数值 N 则表示由调节器计算出的控制量 首先判 断 控制周期 TC 是否己经结束 若控制周期 TC 已结束 即 M 0 则屏蔽 T1 定时器中 断 进行新一轮温度采样 若控制周期 TC 还未结束 即 M 0 则开始判断导通 时间是否结束 若导通时间己结束 即 N 0 则置输出控制信号为低 并重新赋常数 C 值 启动定时器定时 同时退出中断服务程序 若导通时间还未结束 即 N 0 则 置输出控制信号为高 控制执行其间继续导通 重新赋常数 C 值 启动定时器定时 同时退出中断服务程序 3 5 2 数字 PID 在一定的控制系统中 首先将需要控制的被测参数 如温度 由传感器转换成一定 的信号后再与预先设定的值进行比较 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后 得到相应的控制值 将控制量送给控制系统进行相应的控制 不停地进行上述工作 从而达到自动调节的目的 当控制对象的精确数学模型难以建立时 比较成熟且广泛 使用的控制方法是采用按差值信号的比例 积分和微分进行计算控制量的方法 即 PID 法 本文控制算法采用数字 PID 控制 数字 PID 算法表达式如下所示 212111 kekekeKkeKkekeKkuku DIp 2 其中 为比例系数 为积分系数 Kp 11 TTKpK T 为采样周期 T1 为积分时间系数 Kd KpTd T 为微分系数 Td 为微分时间系数 返回 重新输入 C 值 重装初值 T1定时 u k 为调节器第 k 次输出 e k 为第 k 次给定与反馈偏差 对于 PID 调节器 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 需要对调节器的输出限幅 13 即当 u u max 时 令 u u max 或 u u max 或根据具体情况确定 图 9 为 PID 控制流程图 本设计中设定调节器输出范围为 0 200 开始 给定值与采样值偏差 e k e k e k e k 1 e k 1 e k D k K1e k Kp e k e k 1 KD e k 2e k 1 e k 2 D k D k D k 1 D k 1 D k D k 输出限幅 输出 D k 图 9 PID 子程序 3 5 3 PID 参数的选择方法 参数的选择 要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行 工程上 一般要求整个闭环系统是稳定的 对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪 超调量小 在不同干扰作用下 能保证被控量在给定值 当环境参数发生变化时 整个系统能保 持稳定等 这些要求 对控制系统自身性能来说 有些是矛盾的 我们必须满足主要 的方面的要求 兼顾其他方面 适当地折衷处理 PID 控制器的参数整定 可以不依赖于受控对象的数学模型 工程上 PID 控制器 的参数常常是通过实验来确定 通过试凑 或者通过实验经验公式来确定 14 实验凑试法是通过闭环运行或模拟 观察系统的响应曲线 然后根据各参数对系 统的影响 反复凑试参数 直至出现满意的响应 从而确定 PID 控制参数 实验凑试法的整定步骤为 先比例 再积分 最后微分 1 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大 观察各次响应 直至得到反应快 超调小的响应曲 线 2 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求 需加入积分控制 先将步骤 1 中选择的比例系数减小为原来的 50 80 再将积分时间置一个较 大值 观测响应曲线 然后减小积分时间 加大积分作用 并相应调整比例系数 反 复试凑 直至出现较满意的响应 确定比例和积分的参数 3 整定微分环节 若经过步骤 2 PI 控制只能消除稳态误差 而动态过程不能令人满意 则应加 入微分控制 构成 PID 控制 先置微分时间 TD 0 逐渐加大 TD 同时相应地改变比例系数和积分时间 反复试 凑 直到获得满意的控制效果和 PID 控制参数 实验经验法调整 PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法 其最大的优点是 参数的整定不依赖受控对象的数学模型 直接在现场整定 简单易行 扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象 是对连续 时间 PID 控制器参数整 返回 定的临界比例度法的扩充 扩充比例度法整定数字 PID 控制器参数的步骤是 1 预选择一个足够短的采样周期 TS 一般说 TS 应小于受控对象纯延迟时间的 十分之一 2 用选定的 TS 使系统工作 这时去掉积分作用和微分作用 将控制选择为纯 比例控制器 构成闭环运行 逐渐减小比例度 即加大比例放大系数 KP 直至系统对 输入的阶跃信号的响应出现临界振荡 稳定边缘 将这时的比例放大系数记为 Kr 临 界振荡周期记为 Tr 3 选择控制度 控制度 就是以连续 时间 PID 控制器为基准 将数字 PID 控制效果与之相比较 通常采用误差平方积分作为控制效果的评价函数 定义控制度 采样周期 TS 的长短会影响采样 数据控制系统 的品质 同样是最佳整定 采样 数据控制系统的控制品质要低于连续 时间控制系统 因而 控制度总是大于 1 的 而 且控制度越大 相应的采样 数据控制系统的品质越差 控制度的选择要从所设计的系 统的控制品质要求出发 4 确定参数 根据所选择的控制度 得出数字 PID 中相应的参数 TS KP TI 和 TD 5 运行与修正 将求得的各参数值加入 PID 控制器 闭环运行 观察控制效果 并作适当的调整以获得比较满意的效果 3 5 4 PID 控制评价 PID 控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自 动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度 最后达到控制范围精度内的稳 定的动态平衡状态 要使用好 PID 控制原理 关键在于根据实际情况确定 PID 的各种参数 这项工作 可能是费时的 但做好了 将会提高控制器的使用效果 达到较高的控制精度 是值 得的 4 4 结论结论 MSP430 单片机具有超低功耗的优点 I O 口达 48 个 内部资源丰富 又 SPI AD 等模块 都为实现电路功能提供了非常有利的条件 开发环境友好 易用 方便 大 大加快本系统设计开发 PI 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节 给出调节量 再通过单片机 输出 PWM 波 调节可控硅的触发相位的相位角 以此来控制执行部件的关断和开启时 间 达到使温度升高或降低的目的 随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度 进行近一步的控制修正 最终实现预期的温度监控目的 本设计利用单片机低功耗 处理能力强的特点 使用单片机作为主控制器 对室 内环境温度进行监控 其结构简单 可靠性较高 系统成本低 具有一定的实用价值 和发展前景 参参 考考 文文 献献 1 赵丽娟 邵欣 基于单片机的温度监控系统的设计与实现 J 机械制造 2006 44 1 2 余永权 Flash 单片机原理及应用 M 北京 电子工业出版社 1997 3 张俊谟 MSP430 单片机实用技术讲座 上 J 电子世界 2004 1 4 余永权 单片机原理及应用 M 北京 电子工业出版社 1997 5 张俊谟 MSP430 单片机实用技术讲座 下 J 电子世界 2004 1 6 曲喜贵 电子元件材料手册 M 北京 电子工业出版社 1989 422 430 7 汪吉鹏 马云峰等 微机原理与接口技术 M 北京 高等教育出版社 2001 8 贾东耀 汪仁煌 数字温度传感器在仓库温度检测系统的应用 J 传感器世界 2001 12 9 张开生 郭国法 MCS 51 单片机温度控制系统的设计 J 微计算机信息 2005 7 10 黄贤武 郑筱霞 曲波等 传感器实际应用电路设计 M 成都 电子科技大学出 版社 1997 4 10 11 赵娜 宋文爱 基于 MSP430 单片机的温度报警系统的设计 J 仪表技术与传感器 2008 8 12 沈建华 杨艳琴 翟骁曙 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 M 北 京 清华大学出版社 2004 148 155 13 赖寿宏 微型计算机控制技术 M 北京 机械工业出版社 1994 90 95 14 方康玲 过程控制系统 M 第 2 版 武汉 武汉理工大学出版社 2007 15 黄俊年 王立 浅析 PID 控制原理及应用 J 硅谷 2010 12 致致 谢谢 本设计能够顺利的完成得到了院系领导老师的大力支持和帮助 尤其是我的指导 老师 老师 在百忙之中抽出宝贵的时间 观看 修改论文设计 仔细耐心为我指导 使 设计得以顺利的完成 在设计的同时 和同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅 在 此 对他们表示由衷的感谢 单片机技术在飞速发展 人们总是处在不断学习阶段 再加上我水平有限 所以 本设计肯定存在许多不尽如人意的地方 欢迎广大老师和同学批评指正 最后 要感谢汽车学院所有老师 他们精心的栽培为我以后的学习工作打下了坚 实的基础 2012 年 3 月 19 日 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿 蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃 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