王鶴霖 張艷鵬

（1.長安大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西西安 710021；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

基于MSP430單片機的通用溫度測控系統(tǒng)研究

王鶴霖1張艷鵬2

（1.長安大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西西安 710021；2.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

該系統(tǒng)采用生活中常用的DS18B20溫度傳感器來采集溫度，測量精度為0.5攝氏度。以MSP430F169為主控芯片驅(qū)動傳感器，并配備LCD1602A液晶顯示溫度，并由微動開關(guān)設(shè)置所需要的溫度。由PID算法開控制加溫器件的工作，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單容易操作等特點，適合應(yīng)用于各種環(huán)境。

DS18B20；MSP430；溫度測控；PID

一、系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)采用MSP430F169單片機為主控芯片，驅(qū)動DS18B20溫度傳感器采集溫度并顯示在LCD1602A液晶上，單片機采集數(shù)據(jù)之后進行處理并根據(jù)所設(shè)定的目標(biāo)值控制升溫裝置，實現(xiàn)溫度的控制[1]。系統(tǒng)包括DS18B20模塊、液晶模塊、繼電器模塊和按鍵模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）溫度傳感器模塊。溫度傳感器模塊采用的是廣泛用于各種環(huán)境的DALLS公司生產(chǎn)的一線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20具有價格低廉，速度快，微型，強力抗干擾抗干擾，測量誤差小等特點。最多在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。[2]它的測溫范圍為-55℃到125℃，并且在常用溫度范圍內(nèi)精度為±0.5℃。除此之外，DS18B20能直接從單線通訊線上汲取能量，除去了對外部電源的需求。大大減小了硬件系統(tǒng)設(shè)計的難度。模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 溫度傳感器模塊

（二）按鍵模塊。為了設(shè)置溫度方便，該系統(tǒng)采用了4×4的按鍵矩陣，按鍵除了包括0到9十個數(shù)字設(shè)置按鍵還包括小數(shù)點、歸零、按位選擇等功能按鍵來設(shè)置所需溫度，按鍵識別方案采用的是軟件全局掃描法。

（三）主控芯片。該系統(tǒng)采用的MSP430系列單片機是美國TI公司1996年開始銷售的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Pocessor)。[3]具有比AT89C52單片機更強的數(shù)據(jù)處理能力。并且具有超低的功耗、高性能模擬技術(shù)、豐富的片上模塊，集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。[4]有以下功能模塊：看門狗 (WDT)，模擬比較器A，定時器A (Timer_A)，定時器B(Timer_B)，串口0、1(USART0、I)，硬件乘法器，液晶驅(qū)動器，10位，12，14位ADC，12位DAC，12C總線，直接數(shù)據(jù)存取(DMA)，端口1-6(P1-P6)，基本定時器(Basic Timer)等。用MSP430F169連續(xù)不斷的采集溫度并采用工業(yè)中成熟的PID自動控制算法控制繼電器把溫度控制在所設(shè)定的溫度附近。采用PID算法可以超前控制，并且避免通用算法引起的繼電器反復(fù)通斷問題，減少繼電器的損耗，延長系統(tǒng)的使用壽命，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。單片機外接8MHZ的高頻晶振和32.768kHz的手表晶振，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理和定時喚醒功能，配合MSP430系列單片機特有的省電模式可實現(xiàn)超長待機，后期可拓展RS232或RS485串行通信模塊，配合上位機實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時顯示和溫度曲線的繪制。更加方便使用。

（四）溫度控制模塊。該溫度控制電路中，單片機控制NPN型三極管的基級電壓使三極管維持在導(dǎo)通或截止的狀態(tài)，進而控制繼電器的通斷。當(dāng)PID算法認(rèn)定應(yīng)該升溫時，控制三極管導(dǎo)通，開始加熱，系統(tǒng)升溫。當(dāng)溫度過高時，單片機控制三極管截止，停止加熱，系統(tǒng)降溫?？紤]到繼電器在突然斷電時會產(chǎn)生很大的反向電流，可能擊穿三極管并對單片機產(chǎn)生不良影響，在三極管兩端接上一個二極管將反向電流分流，達到保護三極管和單片機的作用。

（五）液晶顯示模塊。液晶顯示模塊采用生活中廣泛應(yīng)用的LCD1602A液晶，該液晶使用方便，連線簡單，價格低廉，不需要復(fù)雜的外圍電路，只需一個電位器調(diào)節(jié)液晶的對比度即可，液晶可以直接由5V電壓供電，不像nokia5110液晶一樣需要3.3V電壓，大大簡化了電源模塊的設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本，并在液晶模塊設(shè)計了一個開關(guān)，方便設(shè)置溫度后關(guān)閉液晶，配合MSP430的低功耗和多種省電模式以達到超長待機。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分采用經(jīng)典的模塊化設(shè)計，面向過程，方便代碼復(fù)用，使用IAR Embedded Workbench作為集成開發(fā)環(huán)境進行軟件開發(fā)。溫度傳感器模塊包括DS18B20初始化函數(shù)，DS18B20讀函數(shù)，DS18B20寫函數(shù)，溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，溫度采集總體函數(shù)等；按鍵模塊包括讀按鍵函數(shù)；液晶顯示模塊包括液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)，液晶寫命令，液晶初始化函數(shù)，液晶顯示總體函數(shù)等。總體程序框圖如圖3。

圖3 整體程序框圖

由于采用一般的閾值算法時如果溫度處在閾值附近時會使繼電器反復(fù)導(dǎo)通斷開，縮短系統(tǒng)的使用壽命，所以該系統(tǒng)的溫度控制算法采用的是工業(yè)生產(chǎn)中較常用且成熟的PID算法。PID算法三個參數(shù)分別為比例系數(shù)P、微分系數(shù)D、積分系數(shù)I。增大比例系數(shù)可以加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，增大積分系數(shù)可以減小系統(tǒng)無差度，實現(xiàn)對高階系統(tǒng)的無差跟蹤，增大微分系數(shù)則可以實現(xiàn)超前控制提前關(guān)閉繼電器，防止過加熱。合理調(diào)節(jié)這三個系數(shù)就可以實現(xiàn)溫度控制的快速性，穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性要求。算法框圖如圖4。

圖4 PID算法框圖

四、總結(jié)

該系統(tǒng)采用MSP430F169為主控芯片，采用單總線的DS18B20溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度，采用矩陣鍵盤設(shè)置期望的溫度范圍，并將結(jié)果顯示在LCD1602A液晶上。經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)的控制精度可達0.5攝氏度，控溫范圍為-50攝氏度到120攝氏度，可滿足各個領(lǐng)域中對溫度控制范圍和精度的要求。

[1]朱定華，戴汝平．單片微機原理與應(yīng)用[M].北京:北方交通大學(xué)出版社，2003．

[2]徐仁貴，廖哲智．單片機微型計算機應(yīng)用技術(shù)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2001．

[3]劉亞利，敬嵐，喬衛(wèi)民．基于MSP430F149型單片機的智能溫度控制系統(tǒng)[J]．計算機工程與設(shè)計，2006，27(6):1062－1065．

[4]馬江濤．單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2004，12(12):1219－1221．

[責(zé)任編輯 鄭麗娟]

Researchon Universal Temperature Measurement and Control System Based on MSP 430 Single Chip Microcomputer

Wang Helin1Zhang Yanpeng2
(College of Information Engineering,Chang'an University,Xi'an 710021; 2.School of Electrical Engineering,Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)

The system uses the commonly used DS18B20 temperature sensor in life to collect the temperature,the measurement accuracy of 0.5 degrees Celsius.Use MSP430F169 as the master chip driver sensor,and equip with LCD1602A liquid crystal displaying temperature,by the micro switch set the required temperature.By the PID algorithm to control the work of heating devices,the system has a simple structure easy to operate and so on,suitable for a variety of environments.

DS18B20;MSP430;temperature measurement and control;PID

TP368.1

A

2095-0438（2017）05-0153-03

2016-12-30

王鶴霖（1995-）,男，黑龍江綏化人，長安大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)2014級學(xué)生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；張艷鵬（1979-），男，黑龍江穆棱人，綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院副院長，講師，研究方向：嵌入式技術(shù)、信號處理技術(shù)。