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要：本文介绍了一种基于MSP430 单片机的温度测控装置。该装置可实现对温度的测量，并能根据设定值对环境温度进行调节，实现控温的目的。控制算法基于数字PID算法。
0 引言
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用[1]。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。
本文设计了一种基于MSP430单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。
1 整体方案设计
单片机温度控制系统是以MSP430单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。
单片机温度控制系统控制框图如下所示：
温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的。
2 温度信号检测
本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻具有灵敏度较高、稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。
热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。而对于本设计，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系[2]，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。
给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0 以及特性系数k，可得下式
T＝T0-kV(t) (1)
式中T为被测温度。
根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大，将热敏电阻测量到的电信号转化为0～3.6之间，才能在单片机中使用。
下图为放大电路原理图。稳压管的稳压值为1.5V。
由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测的精度，需用滤波电路对先对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路。选取该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路的截止频率
fH=10 kHz 。
3 控制系统设计
3.0 软件设计
单片机温度控制器控制温度范围100℃到400℃，采用通断控制，通过改变给定控制周期内加热和制冷设备的导通和关断时间，来提高和降低温度，以达到调节温度的目的。
软件设计中选取控制周期TC 为200(T1×C) ，导通时间取Pn ×T1×C ，其中Pn 为输出的控制量，Pn值介于0～200之间， T1 为定时器定时的时间，C为常数。由上两式可看出，通过改变T1 定时时间或常数C，就可改变控制周期TC 的大小。温度控制器控制的最高温度为400℃，当给定温度超过400℃时以400℃计算。
图3为采样中断流程图。
数模转换部分使用单片机自带的12位A/D转换器，能同时实现数模转换和控制，免去使用专用的转换芯片，使系统处理速度更快，精度更高，使电路简化。采样周期为500 μs ，当采集完16个点的数据以后，设置标志“nADCFlag =1”，通知主程序采集完16个点的数据，主程序从全局缓冲区里读出数据。
为进一步减小随机信号对系统精度的影响，A/D转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波。每16个采样点取一次平均值。然后将计算到的平均值作为测量数据进行显示。同时，按照PID算法，对温度采样值和给定值之间的偏差进行控制，得到控制量。采样全过程完成后就可屏蔽采样中断，同时启动T1定时[3]，进入控制过程。
温度值和热敏电阻的测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因此在程序中不需要对测量数据进行线性校正。MSP430的T1定时器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁结构，即在进行温度采样，温度值处理和运算等过程时T1不定时，待采样全过程进行完时再启动T1定时并同时屏蔽采样中断。T1定时开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直到200(T1×C) 定时时间到，要开始新一轮的控制周期。在启动采样的同时屏蔽T1中断。
图4为T1定时中断流程图。
图中，M代表定时器控制周期计数值，N则表示由调节器计算出的控制量。首先判断控制周期TC是否己经结束。若控制周期TC已结束(即M=0)，则屏蔽T1定时器中断，进行新一轮温度采样；若控制周期TC还未结束〔即M≠0 〕，则开始判断导通时间是否结束。若导通时间己结束(即N=0)，则置输出控制信号为低，并重新赋常数C值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序；若导通时间还未结束(即N ≠0 )，则置输出控制信号为高，控制执行其间继续导通，重新赋常数C值，启动定时器定时，同时退出中断服务程序。
3.1 数字PID
本文控制算法采用数字PID 控制，数字PID 算法表达式如下所示：
其中，KP 为比例系数；KI=KPT/TI 为积分系数；T 为采样周期，TI 为积分时间系数；KD=KPTD/T 为微分系数，TD 为微分时间系数。u(k) 为调节器第k次输出， e(k) 为第k 次给定与反馈偏差。
对于PID 调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，可能导致系统不稳定，所以在实际中，需要对调节器的输出限幅[4]，即当|u|>umax 时，令u=umax 或u=-umax ，或根据具体情况确定。
3.2 温度调节
PI 控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行近一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。
4 结论
本设计利用单片机低功耗、处理能力强的特点，使用单片机作为主控制器，对室内环境温度进行监控。其结构简单、可靠性较高，具有一定的实用价值和发展前景。
参考文献
[1] 赵丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造，2006，44(1)
[2] 张开生，郭国法.MCS-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息，2005，(7)
[3] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙..MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，2004，148-155
[4] 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，1994:90-95
基于ATmega8的新型电动自行车调速控制系统设计 摘要：介绍了一种以AVR单片机ATmega8为主控芯片的新型电动自行车调速控制系统的设计方案 给出了系统的硬件构成和软件设计方法。实验证明：该系统性能可靠、成本较低，是一种实用的无刷直流电动机调速系统。 关键词：ATmega8；无刷直流电动机；调速控制系统 １ 引言 当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨 无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一 １ 。它以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点 特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面有待于进一步提高。本文根据无刷直流电机的原理，利用美国Ａｔｍｅｌ公司２００２年推出的一款新型ＡＶＲ高档单片机ＡＴｍｅｇａ８作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点 具有一定的实用价值。 ２ ATmega8芯片简介 ＡＴｍｅｇａ系列单片机承袭了ＡＶＲ系列中ＡＴ９０所具有的特点 并增加了更多的接口功能 而且在省电性、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。ＡＴｍｅｇａ８属于ＡＴｍｅｇａ系列单片机(ＡＴｍｅｇａ１６／ＡＴｍｅｇａ３２／ＡＴｍｅｇａ６４／ＡＴｍｅｇａ１２８)的一个子集, 其内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路, 并且在软件上能有效支持Ｃ高级语言及汇编语言。 ＡＴｍｅｇａ８是一款采用低功耗ＣＭＯＳ工艺生产的基于ＡＶＲＲＩＳＣ(精简指令集)结构的８位单片机。ＡＶＲ单片机的核心是将３２个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起, 所有的工作寄存器都与ＡＬＵ(算术逻辑单元)直接相连, 可在一个时钟周期内用一条指令同时访问(读写)２个独立的寄存器。这种结构可提高代码效率,使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期，故可达到将近１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ的性能, 运行速度比普通单片机高出１０倍。ＡＴｍｅｇａ８的主要性能特点如下: (１)高性能、低功耗的８位ＡＶＲ微控制器。采用先进的ＲＩＳＣ精简指令集结构；有１３０条功能强大的指令, 大多数为单周期指令；内含３２个８位通用工作寄存器；工作在１６ＭＨｚ时指令处理速度为１６ＭＩＰＳ。 (２)片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器。８ｋ字节的Ｆｌａｓｈ程序存储器的 可擦写次数大于１００００次；５１２个字节Ｅ２ＰＲＯＭ的擦写次数至少可达１０００００次；支持在线编程(ＩＳＰ)和在应用编程(ＩＡＰ)；带有可编程的程序加密位。 (３)丰富强大的外部接口。带有２个带预分频的８位定时／计数器、１个带预分频的１６位定时／计数器；３个ＰＷＭ 通道 可实现任意１６位以内相位和频率可调的ＰＷＭ 脉宽调制输出；６通道Ａ／Ｄ转换；一个Ｉ２Ｃ串行接口、一个可编程的ＵＳＡＲＴ接口、一个支持主／从、收／发的ＳＰＩ同步串行接口；带片内ＲＣ振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。 (４)具有特殊的微控制器性能。内含可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路；芯片内部和外部共有１８个中断源；５种休眠模式(空闲、ＡＤＣ噪声抑制、省电、掉电、待命)。 ３ 系统硬件设计 整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、ＭＯＳＦＥＴ全桥电路、限流电路等，图１所示是其原理框图。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。 ３．１ 转子位置检测电路 本设计中的无刷直流电动机有２对磁极 定子绕组采用三相型接法 ３个霍尔位置传感器的空间间距为６０° 即电角度为１２０°。３个霍尔传感器的输出Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３分别直接接到ＡＴｍｅｇａ８的２６、２７、２８脚，运用这三个脚的数模转换功能(ＡＤＣ)可对霍尔信号进行采样和转换。 ３．２ 电机转速控制电路 ａ．测速电路 要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制 首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至单片机的ＰＤ３脚 该引脚可作为外部中断源的输入口。随着电动机的转动 ＰＤ３将不断接收到脉冲信号。当ＰＤ３接收到一个上升沿时将启动定时器Ｔ０以开始计时，直至接收到下一个相邻的上升沿为止，定时器Ｔ０的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间 据此即可计算出电动机的转速。 图3 ｂ．换向调速电路 无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类 ４ 。由于前者所受的各类限制较多，且励磁线圈电感较大 动态响应较差。所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为Ｕｄ，为电枢串联一个电阻Ｒ并接到电源Ｕｄ，则电枢两端的电压Ｕａ为Ｕａ＝Ｕｄ－ＩａＲ，显然 调节电阻Ｒ即可改变端电压 从而达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率较低。随着电力电子技术的发展 出现了许多新的电枢电压控制方法。ＰＷＭ 脉宽调制 就是其中之一，其基本原理如图２所示。 设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为Ｕｄ 则电机电枢两端电压的平均值为 Ｕａ＝(Ｔ１－Ｔ２)Ｕｄ／(Ｔ１＋Ｔ２)＝(２Ｔ１／Ｔ２－１)Ｕｄ＝(２α－１)Ｕｄ 其中α为占空比，通过改变α的值可达到调压的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范围是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而电机可以在正、反两个方向调速运转。 图３所示是一种电动自行车无刷直流电机调速系统的部分原理图。通过图中单片机可采样电动自行车手柄上可调电阻的电压，再经Ａ／Ｄ转换后送到ＰＷＭ寄存器，从而控制单片机的ＰＢ１脚，输出占空比可调的ＰＷＭ 信号。该信号和来自限流电路ＬＭ３５８比较器的输出信号一起通过软件比较，在限流电路不工作的情况下输出ＰＷＭ信号，以配合软件控制的ＰＢ０、ＰＤ５和ＰＤ６引脚来驱动相应的光耦，进而控制ＭＯＳＦＥＴ全桥电路换相导通，实现电机的换向。因此,通过调节单片机ＰＷＭ信号的占空比,最终可改变加在电动机定子绕组上的电压,从而实现电动机的调速。 ４ 系统软件控制 ＡＴｍｅｇａ８在软件上能有效支持Ｃ语言及汇编语言。Ｃ语言目前已成为设计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计是用Ｃ语言编程实现的，具有很好的可移植性，其程序流程图如图４所示。 ５ 结束语 用本方案设计的电动自行车调速控制系统在实验运行过程中获得了良好的动、静态特性。高性价比ＡＴｍｅｇａ８单片机的运用大大降低了成本，提高了软件设计灵活性，丰富了硬件接口功能，为今后系统升级创造了良好条件。
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