温度控制系统说明文档

评阅

成绩

2012年湖南省大学生电子设计竞赛设计报告

（题号：A ）

竞赛题名称：温度的测量和控制

参赛队编号：15020

评阅人签名：

2012年8月27日

竞赛题名称： 温度的测量和控制

1、设计思路描述：

本作品主控芯片采用TI 公司的MSP430低功耗单片机，利用PT100的阻值对应相应温度的特性来检测，给PT100一恒定的电流来采样其输出电压信号。将电压信号放大到适合模数转换器的检测电压并用模数转换器转换成适用于为控制器的数字信号。单片机分析并处理模数转换器得到的对应数值量，最终将其处理成对空心瓷管电阻的功率的控制量，还要时时的将空心瓷管电阻的温度传回主控器中，从而达到闭环控制。本作品采用了键盘实时的设置和液晶实时检测结果的显示从而达到人机智能交流。并且加入一个语音报警模块，达到智能报警。系统如图1。

MSP4300微控制系统

空心瓷管电阻加热模块

PT100温度检测系统

AD 采集

继电器驱动

模块

键盘

LCD 显示

控制信号

控制

电压信号

数值量温度

语音报警

图1 系统总设计框图

2、硬件电路图：

本作品的整体硬件模块电路图如图2。

MSP430

P1.6

矩阵键盘

PWM

中断信号SCLK SDA

P2.0

P2.1P2.2控制加热电路模块

液晶显示

SCLK SDA CS

P1.0/AD

P2.5P2.3

P2.4

PT100温度采集电路

电压信号

空心瓷管电阻

P1.1

P1.2LED 显示模块

L/H L/H

L/H

P1.3

图2 硬件整体模块电路图

作品中利用OPA2134构建恒流源模块，产生稳定的1mA 电流。由于本作品采用的不是裸的PT100，而是一种外加金属壳包装和引线的PT100，导线就有一定的电阻。虽然导线的电阻很小，但是对于PT100温度一度的变化只有0.39欧姆来说还是有点点大。所以

PT100采用三线接线法(三线的长度、横截面和材质一样)，这样有效的消除了连接PT100的导线的电阻在这电路中是RW1,RW2,RW3。并且这样可以将PT100的电阻输出组成差分信号，进行差分放大，如图图3。这里的恒流源和PT100的地都是在与主控器的地相通，防止电平不一致。引起的不安全和误差。

图3 PT100温度采集电路

其他电路以及整体的电路设计图详见附件。

3、算法数学描述：

本作品采用PI算法控制加热，来消除温度控制中纯滞后、大惯性的特性。具体的系统软件算法框图如图4所示。首先，设定一个温度预定值后让其全速加热，当温度升到预定温度15℃内时，MSP30就调用PI算法来控制空心瓷管电阻的输出功率。在不同的系统中PI算法中的参数各不相同，本系统温控对象采用的是空气其变化起伏非常的大，但是实验的初步设计根据一般的经验将比例系数Kp设定为1，将积分系数i设定为0.3。但是这仅仅是实验初步设定的，后面会根据大量实验的检测结果进行修改。由于此温度系统的惯性较大, 单片机输出的控制值如果变化大, 则对温度的变化冲击很大,很难短时间达到稳定。因此为了解决这一问题, 本作品在PI算法中加入一个一阶惯性环节(低通滤波器)。

比例P

积分D 空心瓷管电阻加热系统

设定的温度或者

设定时间

+

-

+

+

温度输出图4 PI算法描述图

其次就是检测PT100电阻的电压，为了消除导线电阻的误差本作品采用三线连接方式，如图3，

11*(11003)2*3

VF Iout Rw PT Rw Iout Rw

=+++

22*(23)1*3

VF Iout Rw Rref Rw Iout Rw

=+++

由于三线的长度和材质一样，所以导线的电阻一致，即可得到

1*(100)Vdm Iout PT Rref =-

就可以得到差分输出电压Vdm 。 4、软件流程图：

开始系统初始化

温度/时间设定

AD 采样温度并进行软件滤波

PI 控制

是否达到温度

按键等待下一

次检测

Y

N

Y

N

图5 软件流程图

利用软件滤波用以消除AD 采样时夹杂在信号电平上的噪声与干扰，即采用概率分布的特性，对采集的一组数据筛选出集中分布部分，求取平均值。 5、测试方法描述：

本作品由MSP430单片机系统模块、温度检测模块、温度控制模块三部分构成。系统

检测时，在MSP430单片机系统模块中键盘区，选择温度加温测量时，观察到绿灯亮，则检测对比系统液晶显示温度与高精度测温万用表显示温度；选择加温时间测量时，检测计量系统中红灯持续发光的时间与液晶显示的时间量。并将其温度或者时间的数据送入电脑的上位机进行参考和分析。对应自由发挥部分我们将采用语音报警系统，开始设定一个报警温度，当系统到达温度时候将进行声音报警。 6、测试数据： 1)、基础部分。 30℃到80℃每变化5℃对应的模拟电压值，

表1 温度电压对照表

温度℃ 30 35 40 45 50 55 60 65 70 电压V 0.5934 0.6858 0.7835 0.8804 0.9861 1.0837 1.1690 1.2785 1.3754 温度℃ 75 80 电压V 1.4731 1.5700

表2 温度控制稳定时间

温度℃ 1 2 3 4 5 成功的次数 40 130s 120s 180s 55s 140s 4 60 180s

240s

260s

155s

200s 4

2)、发挥部分。

表3 任意温度测试数据表

温度设定值/℃温度值/℃实测温度值/℃误差稳定需要的时间/s

54 35.32 35.01 +0.21

500 45.72 45.31 +0.41

55.63 55.21 +0.42

54.14 54.04 +0.10

表4 时间段匀速上升

温度℃T/S 1

5

T

2

5

T

3

5

T

4

5

T T

线性度/斜

率

120 46.47℃53.68℃61．06℃59.76℃60.3℃0.2778 200 47.21℃54.34℃60.89℃59.24℃60.4℃0.165 300 46.88℃54.21℃60.71℃59.89℃60.3℃0.1110

表5 自由发挥语音、警示灯报警

40℃50℃60℃70℃80℃100℃

灯光报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警语音报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警能正常报警

7、数据分析与结论：

根据多次试验，其基本部分的温度时间波形图

图六任意设定温度54℃

由于采用的是外包装的PT100装置，在加热是能很好的表现出和实际温度一样的斜率增长，但是在降温过程中将表现出实际温度降温很快，PT100有包装壳的保温作用降温有一定的滞后性。

改进就是能够用自适应PID算法，能够短时间将其稳定到某一个温度。

参赛队编号：15020

1）、仿真电路图。

2）、系统总体电路图

算法说明：该程序程序是比赛当天所写，虽然赛前程序框架以成型，但考虑到比赛时间，精力等因素，程序还是不够完善，程序结构比较紊乱。就变量定义，函数实现方面，不值一提。现忽略次要因素，分析本程序的几个得分点：

（1）温度精确测量。首先应题目要求温度传感器采用pt100，pt100是一个阻值随温度变化的电阻，将其接入恒流源，将产生电压差，对该电压进行必要的放大后输出到ad，ad转换的结果发送给单片，即可计算出温度值。

AD精度说明：现采用恒流源的电流为1mA，而温度变化1℃，电阻变化为0.39Ω，即对应的电压变化为0.39mV，经过一放大增益为51倍的放大器后，可将有效信号放大到19.89mV。如果采用内部10位AD捕获该信号，选择2.5v的基准电压作为参考，则AD能分辨的最小电压约为2.44mv。相应的温度变化1℃，将引起AD变化8LSB，显然这样AD 精度已经足以满足系统的要求（如果还要提高精度可增大放大器的放大倍数或换精度更高的AD）。

（2）控制温度在一稳定值。这是该程序的核心，在此使用分段性PI控制算法。具体PI算法的实现不再赘述。本程序中分段方法是：

（a）快速升温段：实际温度比设定温度小很多时，即误差很大时，快速控制；

（b）第一达到稳定区间：实际温度接近设定温度时，第一控制会出现一个大波，和最大超调量，需要缓慢控制；

（c）降温区：在降温区，为防止降温过头，需提前反向控制；

（d）升温区：需要相应的几分控制来消除静差。本程序中系数取值皆采用浮点型，考虑温度控制是一个迟滞系统，控制周期不需要太快，故浮点运算产生的延时是能够接受的。对控制速度有要求的系统最好采用定点运算。

（3）匀速升温控制。匀速升温控制是建立在第（2）步的基础上，匀速控制，通过输入加温时间，将温度从40度匀速60度。实现方法是，在每次控制周期到来时，计算下一次周期到来需要达到的温度，作为本次周次设置值的温度，从而实现温度匀速控制。

（4）校准模块。因为测温条件有限，现只做偏移校准（测试时并没有用到）。