溫箱溫度控制設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)溫箱控制過程中出現(xiàn)的精度低，穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的高精度溫箱溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用鉑電阻溫度傳感器及12位A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了溫箱溫度精確測(cè)量，并利用低功耗MSP430F149單片機(jī)及加熱和降溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫箱溫度的精確控制。通過不同溫度下測(cè)量實(shí)驗(yàn)，表明溫箱溫度控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。從而在-50～150℃溫度范圍內(nèi)，溫箱控制精度可以達(dá)到±0．5℃。
關(guān)鍵詞：MSP430F149；高精度；溫度控制；可控硅

0 前言
    隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)溫箱的應(yīng)用和需求越來越廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們隨處都可以看到溫箱的應(yīng)用。目前，在溫箱的控制過程中還存在一些不足之處，比如控制精度低，穩(wěn)定性比較差等。因此，針對(duì)溫箱控制過程中出現(xiàn)的問題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的智能化溫箱控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地對(duì)溫箱的溫度變化、運(yùn)行狀況和功能狀態(tài)等進(jìn)行控制。本文在研究溫度采集發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于微控制器MSP430F149的溫箱控制系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為控制核心，采用鉑電阻溫度傳感器，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字顯示，可通過按鍵對(duì)溫度進(jìn)行目標(biāo)溫度值的設(shè)置，從而使系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，自動(dòng)啟動(dòng)壓縮機(jī)或者加熱絲，對(duì)溫箱的實(shí)際溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以達(dá)到高精度的溫箱溫度采集，實(shí)時(shí)地顯示溫箱的溫度，準(zhǔn)確及時(shí)地控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，并具有體積小巧、安全、穩(wěn)定和可靠等特點(diǎn)，有良好的可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及其工作原理
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、鍵盤、LED數(shù)碼管、MSP430單片機(jī)、電熱絲、隔離·驅(qū)動(dòng)、可控硅、壓縮機(jī)12部分組成。本溫箱控制系統(tǒng)采用的主要芯片MCU是單片機(jī)MSP430F149。主要的器件有：溫度傳感器鉑電阻芯片、壓縮機(jī)、加熱絲和風(fēng)扇等。

    其工作原理是鉑電阻采集到溫度信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路送到A＼D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)的控制中心進(jìn)行處理判斷，然后由單片機(jī)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路控制可控硅，對(duì)加熱絲或壓縮機(jī)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件電路主要由溫度采集、溫度控制和溫度顯示三大部分構(gòu)成。本系統(tǒng)的硬件由單片機(jī)MSP430F149、電源電路、溫度采集電路、溫度控制電路、數(shù)碼管顯示電路等構(gòu)成。
2．1 電源電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)需要使用+5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430F149及部分外圍電器需要+3．3V電源，其它部分需要+5V電源。在本系統(tǒng)中，以+5V直流電壓為輸入電壓，+3．3V由+5V直接線性降壓，其中采用HT7333作為穩(wěn)壓芯片。如圖2所示。

2．2 溫度傳感器采集電路
    PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)制成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù)，其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=R0(1+aT)，其中a=0．00392，R0為100 Ω(在0℃的電阻值)，T為攝氏溫度。
    PT100溫度傳感器采用四線法的連接方式，有效地消除了引線電阻引起的測(cè)量誤差，能夠精確測(cè)量未知電阻上的壓降，計(jì)算出電阻值。具體連接圖如圖3所示。

    PT100四線法連接電路通常稱為Kelvin電路，對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線F和一條檢測(cè)線S，各自構(gòu)成獨(dú)立回路，同時(shí)要求檢測(cè)線S必須接到一個(gè)有極高輸入阻抗的測(cè)試回路，使流過檢測(cè)線S的電流極小，近似為零。圖中r表示引線和探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻之和。HF為高電位施加線，LF為低電位施加線，HS為高電位檢測(cè)線，LS為低電位檢測(cè)線。由于流過測(cè)試回路的電流為零，在r3、r4上的電壓降為零，而激勵(lì)電流I在r1、r2上的壓降不響I在被測(cè)的鉑電阻上的壓降，所以可以準(zhǔn)確計(jì)算出鉑電阻的阻值。這樣就消除了引線上的電壓，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度采集。

    單片機(jī)MSP430F149的內(nèi)部具有8路12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，帶有采樣保持功能，通過模數(shù)采樣讀入端口溫度電壓信號(hào)，相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化成實(shí)際溫度數(shù)值并存儲(chǔ)，然后將溫度數(shù)值發(fā)送到數(shù)碼管顯示出溫度。
2．3 溫度控制
    開始的時(shí)候設(shè)定好溫箱的目標(biāo)溫度值。系統(tǒng)開始進(jìn)行溫度采集，通過外接的鉑電阻獲得。將采集到的溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)采集的溫度低于目標(biāo)溫度的時(shí)候，由控制中心單片機(jī)輸出控制信號(hào)，通過對(duì)加熱絲進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)加熱操作；當(dāng)采集的溫度高于目標(biāo)溫度的時(shí)候，由控制中心單片機(jī)輸出控制信號(hào)，通過控制壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)降溫操作；反復(fù)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，比較，這樣一直持續(xù)，以保證溫箱溫度被控制在恒溫狀態(tài)以下，以此達(dá)到溫箱溫度控制的目的。具體的操作步驟如下：
2．3．1 加熱操作
    采集的溫箱溫度與預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)所測(cè)溫度低于目標(biāo)溫度的時(shí)候，啟動(dòng)加熱操作。加熱操作的過程為：
    選用的是鐵鉻鋁電熱合金類型的加熱絲，其平均功率是2000W，額定電壓為220V，長(zhǎng)度為20cm，由于溫箱的大小為1m3，經(jīng)過計(jì)算完成整個(gè)溫箱的加熱過程，從-50℃～150℃需要40min，將加熱絲外接在溫度控制器電路中，單片機(jī)MSP430F149通過P1．1發(fā)出控制信號(hào)，控制可控硅的通斷就可實(shí)現(xiàn)加熱絲的工作狀態(tài)，只要改變P1．1的接通時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)加熱功能。由于加熱絲存在熱慣性和時(shí)間滯后等特性，為了使控制更加精確，比較溫度之后的差值大小采用不同寬度的脈沖進(jìn)行控制，這樣來實(shí)現(xiàn)加熱絲的加熱操作。為了避免造成局部溫度過高、受熱不均勻，以達(dá)到平衡加熱的效果，在加熱絲的側(cè)面并聯(lián)一個(gè)可控風(fēng)扇，保證加熱過程的均勻受熱。加熱原理圖如圖5所示。

2．3．2 降溫操作
    采集的溫箱溫度與預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)所測(cè)溫度高于目標(biāo)溫度的時(shí)候，啟動(dòng)壓縮機(jī)操作。實(shí)現(xiàn)降溫操作的過程如下：
    MSP430F149通過控制可控硅對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制壓縮機(jī)降溫系統(tǒng)，根據(jù)采集溫度與預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度比較差值的大小來決定壓縮機(jī)的制冷強(qiáng)度?？煽毓杩刂茐嚎s機(jī)電路的連接圖如圖6所示，微控制器P2．2引腳輸出可控硅控制信號(hào)。當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，壓縮機(jī)開始工作；否則壓縮機(jī)停止工作。

2．4 數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)
    數(shù)碼管顯示電路也就是數(shù)據(jù)的輸出電路，主要由外接4位數(shù)碼管、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器、鎖存器以及片選電路組成，MSP430具有豐富的I／O口資源，采用并行方式與LED連接非常方便。數(shù)碼管的段碼a，b，c，d，e，f，g，dp分別與單片機(jī)的P2．0～P2．7相連，控制數(shù)碼管中顯示的字形；數(shù)碼管的位選由4個(gè)NPN三極管控制，分別接到單片機(jī)的P6．3～P6．6端口上，程序中通過控制P6．3～P6．6端口的輸出電平就可以控制數(shù)碼管的顯示與關(guān)閉。
    其中LED的片選信號(hào)是通過MSP430F149的I／O端口來提供。具體連接圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的軟件部分主要包括實(shí)現(xiàn)溫度的采集、顯示和控制三大部分。

    如圖8所示，當(dāng)采集溫箱溫度的時(shí)候，系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置好溫度傳感器的轉(zhuǎn)化公式來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。當(dāng)采集的溫度低于目標(biāo)溫度的時(shí)候，通過對(duì)加熱絲進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)加熱操作；當(dāng)采集的溫度高于目標(biāo)溫度的時(shí)候，通過控制壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)降溫操作；并將溫箱的溫度顯示出來，從而使溫箱的溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)溫箱溫度控制。
3．1 溫度的采集
    當(dāng)將要采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430F149將通過溫度傳感器采集溫度，所用到的函數(shù)有：
    (1)函數(shù)名稱：ReadTemp，功能：從溫度傳感器的ScratchPad讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，返回值：讀取的溫度數(shù)值。
    (2)函數(shù)名稱：uint DolConvert(void)，功能：控制溫度傳感器完成一次溫度轉(zhuǎn)換，返回值：測(cè)量的溫度數(shù)值。
3．2 溫箱的溫度控制
    在實(shí)現(xiàn)溫度控制的時(shí)候根據(jù)PID控制算法，計(jì)算出控制量，具體實(shí)現(xiàn)過程中所要用到的部分函數(shù)如下：
    char Read_Temperature(void)／／讀取溫度
    void delay(unsigned char time)／／延時(shí)時(shí)間以12M晶振為準(zhǔn)，延時(shí)時(shí)間為30us×time
    void write_bit(unsigned char bitval)／／寫一位數(shù)據(jù)子程序
    unsigned char read_bit()／／讀一位數(shù)據(jù)子程序
    void get_temper()／／獲取溫度子程序
    unsigned int PIDCalc(struct PID*PP，unsignedint NextPoint)／／PID計(jì)算
    compare_temper()／／溫度比較處理子程序
    void display()／／將占空比溫度轉(zhuǎn)化為單個(gè)字符顯示占空比和測(cè)得到的溫度
3．3 溫度的顯示
    在溫度的顯示過程中所要用到的函數(shù)有：
    Void WriteCommand(unsigned char wdata)／／向數(shù)碼管寫入命令；
    Void WriteData(unsigned char wdata)／／向數(shù)碼管寫入數(shù)據(jù)；
    顯示溫度的函數(shù)：
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％1 000／100)；／／顯示百位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％100／10)；／／顯示十位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％10)；／／顯示個(gè)位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％1)；／／顯示十分位；

4 結(jié)論
    基于單片機(jī)MSP430F149的溫箱溫度采集和控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的軟硬件平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)。通過使用單片機(jī)、PT100溫度傳感器、數(shù)碼管顯示電路搭建硬件平臺(tái)，使用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，C語言編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于嵌入式技術(shù)的溫箱溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)體積小巧，電路連接簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性良好，可以方便地進(jìn)行后續(xù)開發(fā)，增加用戶所需功能。從而提高了設(shè)備的智能化程度，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。