溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：基于MSP430系統(tǒng)平臺，利用PID控制算法搭建了一個溫度自動控制系統(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量溫度值，430單片機(jī)用來實現(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。能實時監(jiān)測溫度值，測量溫度范圍廣、分辨率高，調(diào)節(jié)溫度迅速，控制溫度實時精準(zhǔn)、波動小，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，人們也越來越依賴它們。為此，我們小組搭建了一個溫度自動控制系統(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，在通用定時器B周期中斷的控制下，低功耗單片機(jī)MSP430F449通過其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進(jìn)行加熱或制冷，輸出的PWM波驅(qū)動功率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簡介
    MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，同時集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點：16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時鐘能夠降低功耗，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語言開發(fā)平臺。
    MSP430F449的定時器A和定時器B都可以實現(xiàn)PWM：當(dāng)定時器工作在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)，稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡稱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，通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來實現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：
   
    實際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對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項參數(shù)的實際控制作用為：
    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)也會加多、調(diào)節(jié)時間加長。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)會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨作用，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)偏差信號的變化率，可以預(yù)見偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對噪聲干擾有放大作用。過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)劇烈震蕩，對抗干擾不利。
    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兩全其美。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，有擾動時，消除誤差速度變慢；而加強(qiáng)積分作用時又難以避免超調(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，對積分參數(shù)做了分段處理，已達(dá)到理想的效果。[!--empirenews.page--]

4 溫控裝置及原理
    DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55～+125℃，測量范圍廣。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，非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高度暫存器。
4．1 單線總線訪問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類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都由總線控制器發(fā)出。
4．1．1 初始化
    通過單線總線的所有執(zhí)行都從一個初始化序列(一個由總線控制器發(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到一個存在脈沖，它就可以發(fā)出5個ROM命令中的任一個：Read ROM，Match ROM，Skip ROM，Search ROM，Alarm Search。
    由于只用到一個DS18B20，所以選擇Skip ROM跳過指令，無需進(jìn)行地址序列號的檢查，可以加大軟件運(yùn)行速度。
4．1．3 存儲器操作命令
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)格按照時間時序。執(zhí)行、數(shù)據(jù)時，要注意：只有數(shù)據(jù)時間隙把握準(zhǔn)確，讀寫數(shù)據(jù)才能正確。
4．2 讀寫時間隙
    DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認(rèn)信息交換。必須在時間隙開始的確切時間讀取或?qū)懭胄枰臄?shù)據(jù)。所以，對DS 18B20的時序控制要嚴(yán)格把握時間分段。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，寫時間隙開始；當(dāng)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時，主機(jī)生成讀時間隙。
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5 TEC1-12708驅(qū)動電路
    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，因而它無需維護(hù)，無嗓音，能在任何位置工作，抗沖擊和抗震動能力強(qiáng)。另外，改變組件工作電流機(jī)型時，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，不會對電路造成任何損害，比繼電器性能好。

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

    經(jīng)過對控制原理進(jìn)行透析，繪制該制冷片的總控制原理圖如圖4所示。通過控制PWM波的占空比來控制功率管IRF540的導(dǎo)通時間，從而控制電路提供給制冷片的有效電流及方向?？刂菩Ч己?。
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6 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)軟件完成制冷制熱、設(shè)置溫度值、自動調(diào)溫等功能。重要算法實現(xiàn)包括PID算法和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過程為：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，與設(shè)定溫度值比較，將差值經(jīng)過PID算法后計算出進(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，其他任意一個寄存器控制占空比，控制靈活，相當(dāng)方便。控制積分調(diào)節(jié)參數(shù)對，對其采取分段積分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、自動調(diào)溫等功能。重要算法實現(xiàn)包括PID算法和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制。整體過程為：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，與設(shè)定溫度值比較，將差值經(jīng)過PID算法后計算出進(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，其他任意一個寄存器控制占空比，控制靈活。

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

7．2 測試結(jié)果分析
    由上實驗數(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℃，完全滿足實驗要求±2℃范圍的要求。從實驗數(shù)據(jù)第2組可以看出溫差大于15℃時，達(dá)到指定度所需時間為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)定溫度值自動調(diào)節(jié)到所設(shè)溫度。制冷時，溫度下降10℃僅需2min左右：制熱時，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際中一樣好，這套調(diào)溫系統(tǒng)一定能達(dá)到理想效果。