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1、基于DSP的全向运动控制系统软件设计南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计(论文)学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生： 黄帅豪 指导教师 ： 殷华文 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于MSP430单片机的温度PID算法设计 Design of TemperaturePID AlgorithmBased on MSP430 Single Chip Microcomputer 总 计 ： 20 页表 格 ： 0 个插 图 ： 13 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于MSP430单片机的温度PID算法设计Desi
2、gn of TemperaturePID AlgorithmBased on MSP430 Single Chip Microcomputer学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 黄帅豪 学 号： 105090640035 指 导 教 师（职称）： 殷华文（副教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于MSP430单片机的温度PID算法设计基于MSP430单片机的温度PID算法设计自动化专业 黄帅豪摘 要 本设计基于MSP430F149单片机，以IAR Embedded Workbe
3、nch软件为开发平台，在MSP430中用自编的位置式PID算法程序实现对电加热锅炉水温的控制，并在上位计算机上实现组态王软件监控。Pt100热电阻信号经放大调理后通过MSP430 ADC模块送入单片机。在MATLAB中通过一元二次方程进行温度数据拟合，把拟合结果在MSP430中编程进行温度数据标度变换，上位机向MSP430发送温度设定值和PID参数，根据组态王软件监控结果对算法进行分析和改进，加入不完全微分和积分分离程序。通过实验验证和结果分析，温度控制无超调,稳态误差0.3。关键词MSP430单片机；位置式温度PID算法；温度数据拟合；不完全微分；积分分离Design of Temperat
4、urePID AlgorithmBased on MSP430 Single Chip MicrocomputerAutomation Specialty HUANG Shuai-haoAbstract: The design is based on SCM MSP430F149, using IAR Embedded Workbench software as a development platform, to realize the temperature control of electric water boiler with location PID algorithm progr
5、am compiled in MSP430, and realizes the Kingview software in upper computer monitoring. Pt100 thermal resistance signal is amplified by MSP430 ADC after conditioning module into the microcontroller. The temperature data through a two quadratic equations in the MATLAB, the fitting results are program
6、med in MSP430 temperature data scale conversion, computer set value and PID parameter to send set temperature to MSP430, after analyzed and improved on the algorithm according to the monitoring results of Kingview software, with incomplete differential and integral separation procedure. Through expe
7、riment and analysis of the results, the temperature control has no overshoot, steady-state error of 0.3 .Key Words: MSP430 single chip microcomputer;position typetemperature PID algorithm; temperaturedata fitting; incomplete differential; integral separation目 录1 引言11.1 单片机温度PID算法的发展现状11.2 本课题的研究意义及前
8、景11.3 论文组织结构12 系统整体方案设计与关键技术分析22.1 系统主要工作原理22.2 系统整体设计方案32.2.1 温度信号采集设计方案32.2.2 单片机程序设计方案33 系统硬件电路的选型及设计53.1 单片机的选型53.2 开关电源模块设计63.3 前向模拟通道设计73.3.1 前置放大器83.3.2 采样保持器83.4 输出驱动模块设计84 系统软件设计84.1 软件开发平台84.2 温度控制程序设计104.2.1 主程序104.2.2 PID算法程序114.2.3 ADC模数转换程序134.2.4 定时器设置程序134.2.5 异步通讯程序144.2.6 温度拟合程序155
9、 系统调试及结果分析165 .1 系统整体的调试和结果165.1.1 MODBUS-ASCII的调试165.1.2 上位机监控画面175.2 结果分析18结束语19附录21致谢48III基于MSP430单片机的温度PID算法设计1 引言1.1 单片机温度PID算法的发展现状在现代工业生产的许多环节中，温度是非常重要的一个指标，因此温度控制系统在工业控制领域中十分重要。PID控制器问世至今已有近70年历史，PID控制是比例、积分、微分控制的简称，PID控制器是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。由于PID控制器算法简单、效果好，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。
10、单片机在自动化产品制造和控制系统设计中得到了广泛的应用，以单片机为核心的智能仪表即是最典型的自动化产品。1.2 本课题的研究意义及前景单片机在自动化产品制造和控制系统设计中得到了广泛的应用，以单片机为核心的智能仪表即是最典型的自动化产品。但是一般的自动化产品主要用8位单片机，这对于控制算法设计和数据运算来说是不方便的。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成
11、在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。用MSP430单片机进行智能仪表等自动化产品设计是一个较好的选择1。PID是过程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。其中P、I、D三个参数的选择直接影响到控制效果，而对于P、I、D三个参数的整定，多为人工经验整定得到，整定的参数常常因人而异。如果在线获取对象的数学模型，自动计算和整定PID参数对于改进控制算法设计具有积极意义。在MSP430单片机中设计参数自整定PID算法用来对电加热锅炉进行控制。通过本题目的设计，提高学生自动化产品设计能力，使学生有能力在自动化产品设计岗位上就业。1.3 论文组织结
12、构本设计内容安排分为5章，其各章节的内如安排如下：第1章：引言。介绍此课题的现状和未来发展前景。第2章：系统整体方案设计与关键技术分析。分别涉及系统的主要工作原理、系统整体设计方案、关键技术分析。第3章：系统硬件电路的选型几设计。选择MSP430F149控制芯片，选择电加热锅炉、MSP430单片机、前向模拟量输入通道模块、继电输出模块、上位机等，组建硬件系统。第4章：系统软件设计。根据控制系统的要求，利用软件开发平台完成控制软件设计主要包括主程序、ADC模数转换程序、PID控制算法设计、定时器设置程序和异步通讯程序以及上位机软件控制和通讯协议的编写。第5章：试验验证及结果分析。通过前几章搭建出
13、了硬件和软件系统，本章主要是通过试验验证各种指标是否达到要求，并对结果进行分析。2 系统整体方案设计与关键技术分析2.1 系统主要工作原理通过热电阻Pt100采集信号，经模拟量前向通道进行A/D转换传给单片机进行PID运算，然后控制继电器输出模块来实现电加热锅炉升温控制。自我编写单极性PID算法，使用开环响应曲线法来确定PID的参数。先确定P参数，然后Ti参数，最后是Td参数，根据开环响应结果设定积分分离带、积分清零带，同时可加入死区宽度；利用组态王软件来实现上位机监控，把水温实时曲线，单片机中相应参数显示出来，观察现象。温度是工业工过程中的四大参数之一,也是很多生产过程中都需要测量和控制的参
14、数。热电阻和热电偶是工业过程温度测量中最常用的温度传感器。热电阻以其测温精度高、稳定性好而被广泛应用于 650 以下的温度测量中,而热电偶一般用于更高温度的测量。常用的热电阻有铂电阻 (Pt100) 和铜电阻 (Cu50、Cu100 )，常用的热电阻型号有 S、R、B 、K 、N 、E 、J、T八种。测温时热电阻或热电偶安装在现场温度检测点,与控制室内的温度显示仪表等二次仪表有一定的距离,为保证温度测量的准确,对热电阻要考虑消除其导线电阻的影响,同时由于被测温度与热电阻阻值之间存在非线性,应考虑非线性补偿问题。对热电偶要采用补偿导线,并考虑冷端温度补偿及热电偶电压值与被测温度之间的非线性补偿。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。Pt100是一种广泛应用的测温元件，在-50 600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、
