溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于MSP430系統(tǒng)平臺(tái)，利用PID控制算法搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度采集、PID算法功率控制、人機(jī)交互等模塊。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器精確測(cè)量溫度值，430單片機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)PID算法及溫度設(shè)定與顯示等；雙向可控硅光電耦合器用于調(diào)節(jié)功率。能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度值，測(cè)量溫度范圍廣、分辨率高，調(diào)節(jié)溫度迅速，控制溫度實(shí)時(shí)精準(zhǔn)、波動(dòng)小，溫度值顯示準(zhǔn)確穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；PID算法；雙向可控硅；光電耦合器；人機(jī)交互

    調(diào)溫設(shè)備如冰箱、冰柜、空調(diào)已廣泛地走進(jìn)大眾家庭，這些設(shè)備帶給了人們更多的舒適，人們也越來(lái)越依賴(lài)它們。為此，我們小組搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，模擬調(diào)溫設(shè)備在日常生活中的運(yùn)作，深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。

1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)以MSP430系統(tǒng)板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調(diào)溫、人機(jī)交互等模塊。其采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件，在通用定時(shí)器B周期中斷的控制下，低功耗單片機(jī)MSP430F449通過(guò)其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過(guò)PID控制算法計(jì)算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對(duì)控溫對(duì)象進(jìn)行加熱或制冷，輸出的PWM波驅(qū)動(dòng)功率MOSFET IRF540，從而達(dá)到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 MSP430F449簡(jiǎn)介
    MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號(hào)處理器，同時(shí)集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點(diǎn)：16位CPU通過(guò)總線連接到存儲(chǔ)器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時(shí)鐘能夠降低功耗，多總線能夠降低噪聲；16位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更有效。它的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
    MSP430F449的定時(shí)器A和定時(shí)器B都可以實(shí)現(xiàn)PWM：當(dāng)定時(shí)器工作在PWM波產(chǎn)生模式，就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用另外寄存器控制占空比，生成PWM波方便。并且片內(nèi)集成段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊，便于顯示溫度值。
3 PID控制算法原理
3．1 PID控制系統(tǒng)筒介
    PID控制系統(tǒng)如圖2所示，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u(t)，稱(chēng)為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。

    PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律，通過(guò)改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：
   
    實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。
3．2 PID參數(shù)控制效果分析
    PID控制的3基本參數(shù)為KP、KI、KD，這3項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際控制作用為：
    比例碉節(jié)參數(shù)(KP)  按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大KP，系統(tǒng)的反應(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會(huì)加多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。在該反饋環(huán)中，該值主要影響速度。
    積分調(diào)節(jié)參數(shù)(KI)  消除系統(tǒng)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨(dú)作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。
    微分調(diào)節(jié)參數(shù)(KD)  反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，可以預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對(duì)噪聲干擾有放大作用。過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)劇烈震蕩，對(duì)抗干擾不利。
    常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度難以?xún)扇涿?。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強(qiáng)積分作用時(shí)又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中，對(duì)積分參數(shù)做了分段處理，已達(dá)到理想的效果。

4 溫控裝置及原理
    DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃，測(cè)量范圍廣。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨宰，精度為0．0625 ℃，分辨率高。支持3～5.5 V的電壓范圍?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。并且只需占用一根微控制器的I／O口，節(jié)省I／O口。本系統(tǒng)選用PR-35封裝。
    控制電路選擇VDD供電方式，即VDD接+5 V，GND接地，I／O接單片機(jī)I／O。
    DS18B20的主要部件：64位激光ROM，溫度傳感器，非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，高度暫存器。
4．1 單線總線訪問(wèn)DS18B20的協(xié)議
    DS18B20需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號(hào)類(lèi)型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都由總線控制器發(fā)出。
4．1．1 初始化
    通過(guò)單線總線的所有執(zhí)行都從一個(gè)初始化序列(一個(gè)由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后由從機(jī)發(fā)出的存在脈沖)開(kāi)始。之后存在脈沖讓總線控制器知道DS18B20在總線上且已做準(zhǔn)備好操作。
4．1．2 ROM操作命令
    一旦總線控制器檢測(cè)到一個(gè)存在脈沖，它就可以發(fā)出5個(gè)ROM命令中的任一個(gè)：Read ROM，Match ROM，Skip ROM，Search ROM，Alarm Search。
    由于只用到一個(gè)DS18B20，所以選擇Skip ROM跳過(guò)指令，無(wú)需進(jìn)行地址序列號(hào)的檢查，可以加大軟件運(yùn)行速度。
4．1．3 存儲(chǔ)器操作命令
4．1. 4 RAM操作指令如表1所示

    一般先執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令，然后用讀暫存器指令將16位溫度值讀入主控制器。
4. 1．5 執(zhí)行／數(shù)據(jù)
    執(zhí)行數(shù)據(jù)前，一定確保先指令已經(jīng)輸入，并嚴(yán)格按照時(shí)間時(shí)序。執(zhí)行、數(shù)據(jù)時(shí)，要注意：只有數(shù)據(jù)時(shí)間隙把握準(zhǔn)確，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)才能正確。
4．2 讀寫(xiě)時(shí)間隙
    DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是通過(guò)時(shí)間隙處理位和命令字來(lái)確認(rèn)信息交換。必須在時(shí)間隙開(kāi)始的確切時(shí)間讀取或?qū)懭胄枰臄?shù)據(jù)。所以，對(duì)DS 18B20的時(shí)序控制要嚴(yán)格把握時(shí)間分段。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉到邏輯低電平時(shí)，寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始；當(dāng)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)生成讀時(shí)間隙。

5 TEC1-12708驅(qū)動(dòng)電路
    制冷片TEC1-12708：依據(jù)帕爾帖效應(yīng)制作的溫差電制冷組件重量輕、體積小并具有相對(duì)高的制冷量，特別適用于有限空間的制冷，由于制冷組件是一種固態(tài)熱泵，因而它無(wú)需維護(hù)，無(wú)嗓音，能在任何位置工作，抗沖擊和抗震動(dòng)能力強(qiáng)。另外，改變組件工作電流機(jī)型時(shí)，又可以制熱，改變電流強(qiáng)度可調(diào)整制冷功率。
    由于TEC要求的驅(qū)動(dòng)電流是雙向的，所以選擇功率管MOSFET，結(jié)合雙向可控硅光電耦合器組成H橋式電路控制TEC方向。功率MOSFET管IRF 540的導(dǎo)通電阻很小，能有效提高供給負(fù)載的最大功率。光電耦合器是一種電-光-電轉(zhuǎn)換器件，把發(fā)光源和受光器用透明絕緣體隔離，不會(huì)對(duì)電路造成任何損害，比繼電器性能好。

    圖3為雙向可控硅光電耦合器構(gòu)成4個(gè)由高電平控制的開(kāi)關(guān)電路。用該4個(gè)開(kāi)關(guān)電路連接成H橋電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷片加熱與降溫。當(dāng)開(kāi)關(guān)1.3關(guān)閉時(shí)，電流正向流經(jīng)制冷器件，制冷器開(kāi)始加熱；當(dāng)開(kāi)關(guān)2，4關(guān)閉時(shí)候，電流反向流經(jīng)制冷器件，制冷器件降溫。

    經(jīng)過(guò)對(duì)控制原理進(jìn)行透析，繪制該制冷片的總控制原理圖如圖4所示。通過(guò)控制PWM波的占空比來(lái)控制功率管IRF540的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電路提供給制冷片的有效電流及方向?？刂菩Ч己?。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件完成制冷制熱、設(shè)置溫度值、自動(dòng)調(diào)溫等功能。重要算法實(shí)現(xiàn)包括PID算法和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過(guò)程為：系統(tǒng)初始化，等待按健中斷。選擇制冷或制熱后，設(shè)定指定溫度值；將溫度采集的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來(lái)，與設(shè)定溫度值比較，將差值經(jīng)過(guò)PID算法后計(jì)算出進(jìn)行功率控制的占空比，從而調(diào)節(jié)溫度。其中，PWM波由MSP430F449的定時(shí)器B產(chǎn)生，在該模式下，寄存器CCR0用于控制PWM波頻率，其他任意一個(gè)寄存器控制占空比，控制靈活，相當(dāng)方便?？刂品e分調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)，對(duì)其采取分段積分PID算法，控制系統(tǒng)超調(diào)量。軟件流程如圖5所示。

    該系統(tǒng)軟件完成制冷制熱、設(shè)置溫度值、自動(dòng)調(diào)溫等功能。重要算法實(shí)現(xiàn)包括PID算法和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過(guò)程為：系統(tǒng)初始化，等待按鍵中斷。選擇制冷或制熱后，設(shè)定指定溫度值；將溫度采集的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來(lái)，與設(shè)定溫度值比較，將差值經(jīng)過(guò)PID算法后計(jì)算出進(jìn)行功率控制的占空比，從而調(diào)節(jié)溫度。其中，PWM波由MSP430F449的定時(shí)器B產(chǎn)生，在該模式下，寄存器CCR0用于控制PWM波頻率，其他任意一個(gè)寄存器控制占空比，控制靈活。

7 測(cè)試結(jié)果
7. 1 測(cè)試過(guò)程
    為防止室溫變化對(duì)測(cè)試造成影響，選擇有空調(diào)室溫恒定的地方進(jìn)行測(cè)試。在室溫16℃下，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

7．2 測(cè)試結(jié)果分析
    由上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，溫度讀數(shù)可以達(dá)到0．1℃，設(shè)定的溫度值與最終溫度值讀數(shù)相差最大為0．8℃，完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求±2℃范圍的要求。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第2組可以看出溫差大于15℃時(shí)，達(dá)到指定度所需時(shí)間為2分43秒。

8 結(jié)論
    本系統(tǒng)能在所能達(dá)到的任何溫度下制冷制熱，以設(shè)定溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)到所設(shè)溫度。制冷時(shí)，溫度下降10℃僅需2min左右：制熱時(shí)，溫度上升15℃只需2分32秒。在室溫16℃下，系統(tǒng)能調(diào)節(jié)的溫度范圍10～60℃，精確度0．2℃。
    最后，如果木箱子的封閉性與實(shí)際中一樣好，這套調(diào)溫系統(tǒng)一定能達(dá)到理想效果。