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1、64点温度监测与控制系统的设计 摘要： 单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用,温度是一个系统经常需要测量控制和保持的量,而温度是一个模拟量,不能直接与单片机交换信息,采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义。 本文主要介绍了以MSP430系列单片机2274、MC14433、AD590等芯片组成的温度检测电路,模/数转换电路,键盘/LCD显示电路,报警电路,信号放大电路；在描述了外围硬件电路的同时,还做了大量的软件工作,包括数据处理软件,PID控制算法。本设计有效的提高了控制系统的实时性和控制
2、精度大大改善了炉温控制的自动化程度,具有较高的实用价值。关键词： MSP430单片机 PID算法 温度采样 温度控制 目 录引 言3第一章 绪论41. 1 选题背景4第二章 方案的比较和论证52. 1 温度传感器的选择62. 2 信号采集通道的选择6第三章 系统总体设计731 信号采集83.1.1 温度传感器83.1.3 多路开关1232 信号分析与处理133.2.1 A/D转换133. 3 显示与报警的设计17 3.3.1 显示电路17 3.3.2 报警电路173.4 MSP430 单片机的发展183.4.1 MSP430 单片机的特点193.4.2 MSP430 系列与 89C 51 系列
3、的比较213.4.3 MSP430 系列的内部结构概述223.5 PID控制设计183.5.1 PID控制的基本原理 193.4.2 PID控制的算法213.5.3 PID控制的技术指标 193.4.4 PID控制的应用21第四章 软件设计254.1.1 主程序流程图：264.1.2 T0中断流程图：274.1.3 报警子程序流程图：284.1.4 温度采样子程序流程图：294.1.5 键扫描程序流程图：30结束语31致谢32参考文献32附录33引 言 64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。在现代化的工业生产中，电流、电压
4、、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MSP430单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本文以它为例进行介绍，希望能收到举一反三和触类旁通的效果。第一章 绪论1. 1 选题背景单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比
5、高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MSP430单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
6、因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 第三章 系统总体设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温
7、湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以MSP430基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。MSP430单片机LCD显示CD5051多路开关MC14433A/D转换AD590温度检测报警电路 图3-1 系统总体框图 本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。（一） 信号采集 由AD590及多路开关； （二） 信号分析 由A/D转换器、单片机MSP430基本系统组成；（三） 信号处理 由串行口LCD显示器和报警系统等组成。31 信号采集3.1.1 温度传感器集成温度
8、传感器AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。 一 主要特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。图3-2 AD590外形（图1）及电路符号（图2）1、 流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：I T/T=1A /K式中：IT 流过器件（AD590）的电流，单位A
9、。T热力学温度，单位K。 2、 AD590的测温范围-55- +150。3、 AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线形误差0.3。6、 AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那幺，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV
10、K的电压信号。其基本电路如图3-3所示。图3-3 AD590内部核心电路图3-3是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE。因此，电流I1为：I1UBER（KTq）（lnn）R对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒
11、流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。图3-4 AD590内部电路图3-4所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图3-3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3-3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T
12、4是为热效应而设计的连接防式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的13。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出： UBE（R62 R5）I3R6 上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的23。根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响
13、更为显着，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1AK。二 基本应用电路图3-8是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使: V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0或25附近有较高的精度。 图3-5 AD590应用电路（1） 图3-6 AD5
14、90应用电路（2）3 摄氏温度测量电路如图3-5所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出V0=0，然后在100时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0时，V0=0mV，100时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那幺V0应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。图3-7八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口四.多路检测信号的实现 本设计系统为八路的温度信号采集，而MC14433仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-6所示3.1.3 多路开关多路开关，有称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这
