基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計制作

XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計制作學(xué) 院： 測試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二 Oxx 年 六 月 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計制作摘要： 隨著我國的經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，科技水平逐漸提高，對智能化的要求也漸漸提高，溫度控制系統(tǒng)作為人們各個方面都接觸到的系統(tǒng)也不例外。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，溫度控制系統(tǒng)得到了多方面的研發(fā)提升。在處理數(shù)據(jù)模塊上，通過引入單片機技術(shù)，溫度控制系統(tǒng)在處理信息能力和執(zhí)行能力得到了很大的提升。在采集數(shù)據(jù)的模塊上，通過信號放大電路，保證了數(shù)據(jù)的有效傳遞。在功率接口選擇電路上，由于引入了單片機，在功能選擇上得到多種選擇。在顯示系統(tǒng)電路模塊中，通過傳感器的的數(shù)據(jù)采集和單片機的運算處理，達(dá)到了溫度的實時顯示。溫度控制系統(tǒng)根據(jù)軟件指令指揮各個工作模塊的協(xié)調(diào)工作，以達(dá)到高效工作、智能化調(diào)節(jié)溫度的效果。基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是符合現(xiàn)在智能化趨勢的重要產(chǎn)品之一，它具有實時調(diào)控、遠(yuǎn)距離控制、安全保護(hù)等功能，它是集高精度，高準(zhǔn)確性，高執(zhí)行能力，高速運算能力于一體的新型溫度控制系統(tǒng)。本論文主要討論的是基于 MSP430F169IPM 所設(shè)計的溫控系統(tǒng)，其中以溫控系統(tǒng)的硬件部分，各工作電路模塊為主要討論對象。關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng) 智能化 單片機 MSP430F169IPM 硬件部分 Design and production of temperature control system based on MCUAbstract:With the development of our economy, the level of science and technology is gradually improving, and the demand for the intelligence is gradually improved,No exception,The temperature control system has become the system which all aspects of people contact.After entering the twenty-first Century, the temperature control system has been developed in many aspects of research and development,In the processing of data module, by the introduction of single-chip technology, temperature control system in the processing of information and execution ability has been greatly improved.On the module of the data acquisition, the signal amplifying circuit can guarantee the effective transmission of data.In the power interface select circuit, because of the addition of single-chip, there are a variety of functional options In the circuit module of the display system, the data acquisition and the operation of single chip computer are processed by the sensor, and the real-time display of the temperature is reached.The temperature control system according to the software instruction command each work module coordination work, in order to achieve the effect of the high efficiency work, the intellectualized adjustment temperatureBased on single-chip microcomputer temperature control system is in line with the now intelligent trend is one of the important products, it has the real-time control, remote control and safety protection function, it is high precision, high accuracy, high ability to execute, high-speed computing power in one of the new temperature control systemThis thesis mainly discusses the temperature control system which is based on MSP430F169IPM, and the hardware of the temperature control system, and the main discussion object of each working circuit module.Key word: Temperature control system Intelligent Single chip microcomputer MSP430F169IPMhardware目 錄1 緒論1.1 引言 11.2 溫度控制系統(tǒng)選題的依據(jù)及意義 11.3 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 21.4 論文主要內(nèi)容 22 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù) 32.2 溫度控制系統(tǒng)性能要求 32.3 溫度控制系工作基本原理 33 溫度控制系統(tǒng)硬件部分3.1 溫度控制系統(tǒng)主干電路模塊分析 53.1.1 電源電路 53.1.2 熱電偶信號放大電路 63.1.3 LED 顯示電路 .103.1.4 功率接口電路 .113.2 其他電路模塊介紹 .133.2.1 MSP430F169IPM133.2.2 復(fù)位電路 .153.2.3 時鐘電路 .164 溫度控制系統(tǒng)軟件部分4.1 程序設(shè)計語言選擇 .174.1.1 C 語言 .174.1.2 C 語言與匯編語言對比 .174.2 溫度控制軟件設(shè)計（流程圖） .184.3 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換模塊 .194.3.1 K 型熱電偶所測溫差程序 .194.3.2 K 型熱電偶所測溫度計算公式推導(dǎo) .194.3.3 內(nèi)部冷端補償值計算程序 .204.3.3 內(nèi)部冷端補償值計算推導(dǎo) .214.3.4 溫度控制系統(tǒng)顯示溫度 .225 溫度控制系統(tǒng)實驗燈泡溫度測控5.1 實驗?zāi)康?.225.2 實驗方法原理分析 .225.3 實驗設(shè)備 .225.4 實驗步驟及操作 .235.5 實驗數(shù)據(jù)總結(jié) .235.6 數(shù)據(jù)處理及誤差分析 .255.6.1 紅外測溫儀數(shù)據(jù)誤差計算 .255.6.2 溫度控制系統(tǒng)的誤差計算 .255.6.3 誤差分析 .266 設(shè)計結(jié)論參考文獻(xiàn) 28致 謝 .29附錄 301基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計制作1 緒論1.1 引言溫度和我們的平常生活互相影響，溫度控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域都起著相當(dāng)重要的作用。在各行各業(yè)中都有著大量的溫度設(shè)備，如火災(zāi)報警系統(tǒng)的溫度自動報警系統(tǒng)就是溫度傳感器配合微電子判斷電路驅(qū)動報警器。溫度控制系統(tǒng)還應(yīng)用于金屬熱處理的加熱爐，和用于熔化金屬的坩鍋電阻爐和各類不同用處的恒溫箱等。這些設(shè)備的工作芯片大多都采用單片機技術(shù)，工作人員通過利用單片機語言程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制調(diào)節(jié)。而單片機功能強大，具有高精度控制和操作快捷、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)對不同情況修改能力強且具有一定的智能性等特點。使用單片機技術(shù)可以很輕松達(dá)到往溫度控制系統(tǒng)精確性能和控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更提高了設(shè)計產(chǎn)品的實用性能 1。1.2 溫度控制系統(tǒng)選題的依據(jù)及意義隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，溫度測量儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，小到普通家庭空調(diào)，大到工業(yè)發(fā)電高壓等場所。在上個世紀(jì) 90 年代，溫度控制系統(tǒng)一般還是由人工機械操控調(diào)節(jié)的，并無提出引入智能化的觀點，并且對于溫度控制沒有給與足夠的注重，從而引發(fā)了很多重大事故的產(chǎn)生，一系列的意外剖析后，科學(xué)家們正確認(rèn)識到溫度控制系統(tǒng)的重要性，并帶頭重視溫度控制系統(tǒng)的研發(fā)。經(jīng)由多年的研發(fā)，溫度控制系統(tǒng)得到了很大的完善。在研發(fā)的過程當(dāng)中，溫度測控系統(tǒng)的智能化已成為當(dāng)代溫度控制體系發(fā)展的主要目標(biāo) 2。市場的需求決定技術(shù)反向，技術(shù)方向引導(dǎo)產(chǎn)物的研發(fā)，在如此的大前提下，與溫度控制系統(tǒng)相干的電子類產(chǎn)物品的研發(fā)成為現(xiàn)今的熱門。隨著單片機技術(shù)的日趨成熟，可應(yīng)用范疇也不斷的擴(kuò)展，把單片機作為運算核心的控制系統(tǒng)，逐漸運用到日常生活的各方面，這不僅克服了溫度控制系統(tǒng)中信號采集的嚴(yán)重時延，并且提高了采樣頻率，在很大程度上提高了控制效果和控制精度，實現(xiàn)一種可持續(xù)操作、功能強大、適用于遠(yuǎn)距離操控、適用性強、成本造價低而且還具有高靈敏度、高精度調(diào)溫功能的溫度控制系統(tǒng)，以是單片機的引入對溫度控制系統(tǒng)的研發(fā)有質(zhì)一般的飛躍。溫度控制工業(yè)生產(chǎn)運用也起著至關(guān)重要的作用和意義。精準(zhǔn)地測量和反饋實時溫度是高質(zhì)量的工業(yè)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的保證，所以對溫度控制系統(tǒng)的研發(fā)是非常必2要且有意義的。做好實時溫度狀態(tài)的檢查和測試，可以為后續(xù)針對實時溫度狀態(tài)的調(diào)節(jié)提供主要參數(shù)，以便于整理數(shù)據(jù)，指揮系統(tǒng)的工作，進(jìn)而更好地為工業(yè)生產(chǎn)一線流水作業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控。1.3 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢進(jìn)入 21 世紀(jì)后，溫度控制系統(tǒng)已慢慢走向復(fù)合型和智能化，溫度 T 作為此中的主要參數(shù)，其測量的準(zhǔn)確性對提高系統(tǒng)工作精準(zhǔn)度尤為關(guān)鍵，研發(fā)和設(shè)計機能強大的溫度控制系統(tǒng)具有非常重要的意義，而其中最為關(guān)鍵的元器件就是溫度傳感器，它的機能會直接左右到收集溫度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性 3?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的溫度控制方式愈來愈趨向于復(fù)合型和智能化，溫度 T 作為其中的關(guān)鍵參數(shù)，對其測量的準(zhǔn)確性對提高系統(tǒng)工作精準(zhǔn)度尤為關(guān)鍵，溫度測量首先是由溫度傳感器采集數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。溫度采集系統(tǒng)是由熱電偶傳感器和信號放大處理兩部分電路組成的，溫度采集的過程便是應(yīng)用熱電偶傳感器將被測對象的溫度值 T轉(zhuǎn)換成電信號或以其他信號形式傳遞給信號放大處理電路進(jìn)行信號放大處理，再輸入到單片機運算系統(tǒng)中，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來。在實際應(yīng)用中，熱電偶傳感器并非理想的電器元件，因為熱電偶傳感器是一種會隨著溫度改變而引起物理參數(shù)產(chǎn)生變化的電器元件。其中，會發(fā)生改變的物理參數(shù)有:體積的膨脹、電阻、電容、熱電動勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性以及熱噪聲等等，這些因數(shù)也會對溫控系統(tǒng)帶來一定的誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，智能溫度傳感器也迅速地發(fā)展，以高精度、高可靠性及高安全性等高性能為目標(biāo)不斷地進(jìn)行研發(fā)改良。在研發(fā)的過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)不少問題，此中提高溫度傳感器測溫精度和分辨力，提高總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，加強單片機的可靠性及安全性設(shè)計，模擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器的設(shè)計成為當(dāng)前要解決的重要問題 4。1.4 論文主要內(nèi)容本設(shè)計主要討論的內(nèi)容是在溫度控制系統(tǒng)的硬件部分，對熱電偶功率放大電路、LED 顯示電路及功率接口電路的工作原理及設(shè)計理念進(jìn)行了詳細(xì)的介紹說明。32 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)本論文主要介紹了基于 MSP430 為核心處理器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)，并簡要說明了溫度控制系統(tǒng)設(shè)計性能要求和 MSP430 等芯片的原理及機能，并列出了硬件和軟件部分的設(shè)計原理框圖。2.2 溫度控制系統(tǒng)性能要求本溫度控制系統(tǒng)按照下列的性能指標(biāo)要求設(shè)計：1）本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路能完成對被測物體溫度信號的采樣，并將溫度值 T 轉(zhuǎn)換成電信號；2）本系統(tǒng)可以經(jīng)由 LED 顯示系統(tǒng)的工作，來反映出實時的溫度值；3）通過對采集的電信號進(jìn)行處理分析，控制功率輸出來達(dá)到溫度控制效果；4）本溫度控制系統(tǒng)的溫度可允許誤差為 3%。2.3 溫度控制系工作基本原理溫度控制系統(tǒng)要實現(xiàn)對實時溫度的調(diào)節(jié)功能，本設(shè)計系統(tǒng)的工作原理一下：檢測溫度信號 計算分析 可執(zhí)行元件輸出結(jié)果 輸出控制信號圖 2.1 溫度工作系統(tǒng)原理下面對各部分的工作模塊進(jìn)行簡要的解釋說明。1) 溫度檢測部分：溫度控制系統(tǒng)通過熱電偶傳感器定時進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)因為信號源未達(dá)到單片機可識別信號的范疇，所以要經(jīng)過信號放大電路后再傳入到單片機中。2) 計算分析：單片機會按照所設(shè)定的程序，對信號進(jìn)行處理，與所設(shè)定的溫度行比較分析，然后根據(jù)對比分析得出結(jié)果。43) 輸出控制信號：根據(jù)對比結(jié)果，可以分為三種情況，一，溫度不足，開啟加熱功能，給加熱管功率接口電路提供電信號。二，溫度達(dá)到設(shè)定值，開啟恒溫功能，給恒溫功率借口提供電信號。三，溫度過高，開啟降溫功能，給制冷功率轉(zhuǎn)換接口電路提供電信號。4) 可執(zhí)行元件：通過輸出控制，對需要工作的電器元件給與的控制信號，在通過功率放大，為要執(zhí)行工作的元件提供足夠的能量。概括來講，溫度控制系統(tǒng)就是通過熱電偶傳感器探頭檢測被測物的溫度變化后，將模擬量的變化進(jìn)行信號放大處理后傳送給單片機控制器處理，控制器在給定的溫度值做出反應(yīng)，輸出控制信號來控制溫度執(zhí)行元件的工作和停止 5。溫度控制系統(tǒng)工作流程框圖：傳感器溫度檢測電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路單片機處理電路 顯示和控制溫度電路圖 2.2 溫度控制系統(tǒng)工作流程3 溫度控制系統(tǒng)硬件部分根據(jù)設(shè)計要求和性能指標(biāo)，有針對性地選擇了主要的工作元件及確定了元件的相干參數(shù)。1) CPU：中央處理器，是一塊超大規(guī)模的集成電路，是本系統(tǒng)的運算核心和控制中心。它的功能主要是詮釋 C 語言指令以及處理信號采集電路所輸入的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)選取了 16 位 CPUMSP430 系列中的 MSP430F169IPM的單片機，能保持高速有效地工作 6。2) 復(fù)位電路：管理 CPU 復(fù)位，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的重置，同時對 CPU 的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，避免出現(xiàn)系統(tǒng)奔潰而導(dǎo)致的死機現(xiàn)象，提高抗干擾能力。3) 顯示電路：通過單片機的數(shù)據(jù)處理，使 LED 數(shù)碼顯示當(dāng)前的溫度。4) 加熱管功率接口：通過單片機信號處理驅(qū)使加熱管功率接口電路工作，從而達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的效果。53.1 溫度控制系統(tǒng)主干電路模塊分析3.1.1 電源電路單片機中的電源電路是指為單片機上給各個電路模塊提供電力的電源電路，對于一個完整的電路設(shè)計來講，要解決的首要問題就是給整個系統(tǒng)配套合適的的電源供電模塊。電源供電模塊的穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)平穩(wěn)工作的前提條件和基本保障。MSP430 單片機雖然功能強大、應(yīng)用范圍廣泛，但是在實際使用過程當(dāng)中，往往受到電源不穩(wěn)定的干擾而出現(xiàn)程序丟失崩潰的現(xiàn)象，為了克服這類現(xiàn)象出現(xiàn)，只有為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊才能解決。圖 3.1 +5V 降壓+3.3V 電路ASM1117：高效線性穩(wěn)壓器，后置穩(wěn)壓器。CUP1-1CUP1-4：多個電容來濾除各個頻率段的干擾。以達(dá)到為芯片提供純凈 3.3V的目的。此電路使交換式電源從+5V 降至+3.3V 線性穩(wěn)壓器。為單片機提供電源所使用6圖 3.2 9V 轉(zhuǎn)+12V 、-12V 穩(wěn)壓電路MC7812CT、 MC7912CT：是配對的三腳穩(wěn)壓集成電路元器件，應(yīng)用于各類電源供電模塊的穩(wěn)壓電路，具備成本低且適用范圍廣、輸出穩(wěn)定性好、耐用性能好、當(dāng)輸出過載、過熱時能自動保護(hù)等特點。通常作為轉(zhuǎn)換電路中的正、負(fù)電壓輸出端。此電路是使得 9V 電壓通過 MC7812 和 MC7912 實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，將 9V 轉(zhuǎn)變成+12V 和-12V 電壓。3.1.2 熱電偶信號放大電路在溫度測量系統(tǒng)中，熱傳感器起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，本設(shè)計采用的是 K 型熱電偶傳感器來采集數(shù)據(jù)。下面來討論一下熱電偶的工作原理。熱電偶是溫度傳感器的敏感元件，它的通過熱電效應(yīng)來檢測溫度值的，通過將兩個半導(dǎo)體電極焊接在一起，使它們兩半導(dǎo)體形成閉合回路。當(dāng)兩個接點中存在溫度差，根據(jù)熱點效應(yīng)，就會在兩端產(chǎn)生熱電勢能又連接的一端流向另一端，其中兩個導(dǎo)體稱為熱電極。圖 3.3 為熱電偶的結(jié)構(gòu)圖。圖 3.3 熱電偶結(jié)構(gòu)圖7根據(jù)熱電偶的原理知道，熱電偶所采集的數(shù)據(jù)是測量端與參考端之間的溫度差所導(dǎo)致的熱電勢，本設(shè)計是以室溫來擔(dān)任參考端溫度。所以輸入數(shù)據(jù)需要進(jìn)行冷端補償，通過冷端補償就可得到被測物體的實時溫度值 7。本設(shè)計通過單片機功能實現(xiàn)冷端補償。在溫度測量系統(tǒng)中信號放大電路是用來對傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號進(jìn)行放大處理的電路，因為本設(shè)計使用在熱電偶采集信號處理中，以是稱為熱電偶信號放大電路。對熱電偶信號放大電路基本要求是：1) 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相對應(yīng)匹配；2) 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益效果；3) 低噪聲；4) 線性好、精度高；5) 成本低。圖 3.4 熱電偶信號放大系統(tǒng)8因為熱電偶采集輸入電信號很微弱，后期電路處理不了只能在經(jīng)過線性放大以后，信號的幅度增大了，后級電路才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行下一步的操作。熱電偶采集數(shù)據(jù)通過 CN2 輸入到放電電路中，經(jīng)過處理放大得到所數(shù)字信號再經(jīng)過 OP07 的 6 腳（FIRST）送到單片機的 I/O 口進(jìn)行處理 8。此中， OP07 芯片是一種低干擾，低噪聲，且具備優(yōu)秀的放大功效的雙極性運算放大器集成電路，其特點是：1) 具備非常低的輸入失調(diào)電壓，所以在很多應(yīng)用場合中不需要外添加額外的調(diào)零措施。2) 具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特性，這類特性使得 OP07 在高放大倍數(shù)的測量設(shè)備以及放大傳感器中對微弱信號處理等方面具有非常優(yōu)秀的功效。圖 3.5 OP07 管腳圖在熱電偶信號放大電路中，微弱信號經(jīng)過放大處理后得到輸出電壓 U，輸出電壓 U 是整個放大電路的核心，以下對輸出電壓 U 進(jìn)行理論闡明及公式的推導(dǎo).R11 是起防干擾功能，C6 的是濾波電容，在電路中起濾波作用，在電路分析中均可以忽略，信號放大電路放大功能主要是根據(jù)圖中熱電偶 CN2 所采集的電信號來計算，假設(shè) CN2 的 1 端輸入電壓為 U1，2 端的輸入電壓為 U2，輸出電壓為 U：依據(jù)簡化電路圖及根據(jù)虛短、虛斷分析可得：（3.1）1431RUI（3.2）1414I9（3.3）14-U（3.4）16-12-2RI式中： I1 U1 經(jīng)過 R13 流向 R14 的電流I2 U2 經(jīng)過 R12 向 U 方向流去的電流U+、U- OP07 芯片的正向輸入端和反向輸入端的電壓根據(jù)電路可知：（3.5） 132R64（3.6）由上式整合可得：（3.7）（ 2124RU代入電阻公式（3.7）可得：（3.8）（ 210由上式可知本設(shè)計放大電路的放大倍數(shù)與設(shè)定的電阻值有關(guān)，根據(jù)設(shè)計要求本熱電偶放大電路將傳感器所獲的電信號做差動放大到 100 倍。本設(shè)計的傳感器是 K型熱電偶，在常溫下其電阻值為 10.8 歐姆，對于 R11 來比較，存在 0.27%誤差，在可允許誤差范圍內(nèi)。在系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到實際工作要求，只采用了一個熱電偶傳感器采集數(shù)據(jù)，并未對其進(jìn)行外部冷端補償，所以所得的信號是被測物體與室溫的溫差。本溫控系統(tǒng)將在軟件編寫時引進(jìn)熱電偶的冷端補償，也就是在所測的數(shù)據(jù)中加上室溫，再輸送給顯示系統(tǒng)，已達(dá)到顯示被測物體的實時溫度 9。103.1.3LED 顯示電路由于測量溫度范圍在 0100 攝氏度，所以本設(shè)計采用 4 位 LED 數(shù)碼管顯示。本設(shè)計采取單片機與 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路作為顯示系統(tǒng)。動態(tài)顯示方式是把全部數(shù)碼管的 8 段按同名端的方式連在一起，ah 分別對應(yīng)連在單片機的 2539號腳，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，COM14 分別對應(yīng)連在單片機的 2023 號腳上 10。圖 3.6 LED 顯示電路模塊LED 數(shù)碼管顯示的同時會把信號傳遞給每個數(shù)碼管，此時每個瞬時由位選通信號選通一個數(shù)碼管，即在某一瞬時只有一個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，且顯示時間不會太長，一般為 110 毫秒，單片機依次實施循環(huán)掃描，在 LED 數(shù)碼管上輪流顯示，由于人的視覺存在滯留效應(yīng)，在 110 毫秒之間，僅依靠人類的視覺去辨識，人們是無法辨別出來 LED 數(shù)碼管單獨顯示，這使人們看到的是 LED 數(shù)碼管多位數(shù)同時穩(wěn)定顯示。LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示對比于靜態(tài)顯示來講，占用 I/O 端線少，電路較簡單，不需要再外接芯片對信號進(jìn)行處理，但動態(tài)顯示的編程較為復(fù)雜，需要 CPU 要定時實施掃描操作來刷新 LED 數(shù)碼管的顯示，通常適用于顯示位數(shù)較多的情況 11。由于顯示電路采用動態(tài)顯示方式，所以在 CPU 功能設(shè)定上，要求電路每隔極短的時間進(jìn)行掃描，對 COM 的選擇進(jìn)行刷新顯示，所以導(dǎo)致數(shù)碼管的位碼信號在不停的通斷變化，為了保證選擇的正確性及顯示效果，會在位選通端接一個 PNP 三極管，并給 PNP 三極管的發(fā)射極 e 端恒通入+3.3V 電壓，在這里當(dāng)作驅(qū)動來使用，本11設(shè)計使用了 PNP 9012，Q21Q24，來充當(dāng)驅(qū)動。為了確保 LED 數(shù)碼管和單片機的正常使用，在數(shù)碼管的 8 段顯示與單片機之間連接了大電阻 R51R58，此處的電阻起了限流保護(hù)作用，避免了電流過大而致使的單片機及數(shù)碼管的燒壞。3.1.4 功率接口電路本設(shè)計中一共使用了三個功率接口，為系統(tǒng)提供加熱、制冷、恒溫 3 大功能。圖 3.7 功率接口電路圖 3.7 是本設(shè)計的功率接口電路，為了保證電路可以平穩(wěn)工作，此處利用MOC3083 光電耦合器和 BTA16 雙向可控硅的功能來充當(dāng)固態(tài)繼電器來控制輸出。所謂的固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷型電子開關(guān)，是一種使用四腳連接源器件，通過其中兩個引腳為控制輸入端，一般是以發(fā)光二極管那端為控制端，另外兩個引腳為輸出受控端，通常是用光敏管來作為受控端。為避免外界的不必要因數(shù)及輸入電壓過高而導(dǎo)致的燒壞現(xiàn)象，使用固態(tài)繼電器實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件采用高耐壓的專用光耦合器。本設(shè)計選用了 MOC3083 光電耦合器來實現(xiàn)固態(tài)繼電器的電器隔離功能，MOC3083 是把發(fā)光器件和光敏器件封裝在一塊芯片上面，通過電流的輸入，發(fā)光二極管發(fā)射出光線，令光耦合實現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換，在通過光敏管，把光信號裝變成電信號繼續(xù)傳遞，此過程實現(xiàn)了光耦合的光電的轉(zhuǎn)換。所以 MOC3083 實現(xiàn)了信號從電信號到光信號再到電信號的轉(zhuǎn)換光電耦合器。光電耦合器在傳輸信號的同時能有效地壓制尖脈沖和外界不相干干擾，使通道上的噪聲信號大為減低，主要有以下幾方面的緣由：121) 光電耦合器的輸入阻抗很小，而噪聲源的阻抗往往較大。根據(jù)電壓分壓原理剖析可得，即使噪聲電壓的幅度偏大，但由于電壓分壓原理，到達(dá)光電耦合器輸入端的電壓會非常少，致使反饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓也會很少，只能構(gòu)成非常微弱的電流信號，此電流信號沒有足夠大而致使二極體不能正常發(fā)光工作，從而被系統(tǒng)自動過濾掉，此處起到了噪聲過濾的效果。2) 光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間存在電容，使兩邊產(chǎn)生了電氣隔離，切兩邊均沒有接地，兩者之間的分布電容非常小，并且絕緣電阻又足夠大，因此在輸入端跟輸出回路之間的各類干擾噪聲都很難以經(jīng)由光電耦合器傳達(dá)到另一邊去，所以避免了共阻抗耦合的干擾噪聲的產(chǎn)生，以確保了有效信號的傳遞。3) 光電耦合器可起到優(yōu)秀的安全保護(hù)功能，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)意外故障，而致使輸入信號線路短接時，因為光耦合器件的輸入和輸出之間存在電容而產(chǎn)生的電氣隔離，此電氣隔離的緣故，電路可以承受幾千伏的高壓，從而產(chǎn)生了保護(hù)作用，所以儀表設(shè)備得以完整保護(hù)。4) 光電耦合器的回響速度極快，其回響延遲時間僅有幾微秒左右，適用于對回響速度要求很嚴(yán)格的范疇。當(dāng)輸出信號經(jīng)過 MOC3083 處理后，得到純凈的有效信號，通入 BTA16 雙向可控作為電子開關(guān)來控制 CN15 的工作。其中 BTA16 的工作原理如下：BTA16 雙向可控硅陽極 A1 與陽極 A2 之間，不管輸入電壓是正是負(fù)，只要控制極 G 與第一陽極 A1 之間存在正負(fù)極性差異的觸發(fā)電壓時，便可觸發(fā)導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)。此時 A1、A2 間壓降也約為 1 伏。雙向可控硅一旦呈低阻狀態(tài)導(dǎo)通后，即使失去觸發(fā)電壓，也會繼續(xù)維持導(dǎo)通低阻狀態(tài)。唯獨當(dāng)通入陽極 A1 和陽極 A2 的電流減小，小于保持工作電流或 A1、A2 間當(dāng)電壓極性改變而且沒有觸發(fā)電壓時，雙向可控硅才恢復(fù)到截斷呈高阻狀態(tài)，此時只要重新加載存在征服極性差異的觸發(fā)電壓才能夠再一次導(dǎo)通 12。13圖 3.8 MOC3083 原理圖（左圖） BTA16 結(jié)構(gòu)圖（右圖）當(dāng)輸入信號從單片機出來，通過 Q3-NPN 后，主電路呈導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過MOC3083 的控制端引腳（發(fā)光二極管），從 1 腳流向 2 腳時，受控端 6 腳、4 腳產(chǎn)生導(dǎo)通電流（光敏管），分別流向 BTA16 的第一陽極腳和控制極 G，使得雙向可控硅導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)，實現(xiàn)類似電磁繼電器的開關(guān)功能，來控制 CN15 工作。3.2 其他電路模塊介紹3.2.1 MSP430F169IPMMSP430 系列單片機稱之為混合信號處理器，是由于為了滿足單芯片能適應(yīng)各種需要，將多個不同功能的電路模塊、I/O 模塊、A/D 模塊和微處理器集成在一個芯片上，以供應(yīng)多功能的“ 單片機”來解決方案。該系列單片機多應(yīng)用在需要電池供給電壓的便攜式儀器儀表中。其中 MSP430F169IPM 是本設(shè)計所選用的 CPU。在MSP430F169IPM 芯片中，許多引腳都具有復(fù)合功能，下面對本設(shè)計所用到的主要引腳功能進(jìn)行說明 13。14圖 3.9 MSP430F169IPM 引腳圖表 3.10 MSP430F169IPM 部分引腳功能引腳名稱 引腳編號 I/O 描述DVCC 1 數(shù)字正電源端，提供所有部件電源。VREF+ 7 參考電壓正端點位。XIN 8 I 基本振蕩器 XT1 輸入端。此處連接了晶體振蕩器下文會介紹。XOUT 9 I/O 晶體振蕩器 XT1 輸出端。VREF/VeREF 11 參考電壓負(fù)端點位，內(nèi)部參考電壓。P1.3/TA2 15 I/O 僅充當(dāng)通用數(shù)字 I/O 口使用。P1.2/TA1 14 I/O 僅充當(dāng)通用數(shù)字 I/O 口使用。P1.1/TA0 13 I/O 僅充當(dāng)通用數(shù)字 I/O 口使用。P1.0/TACLK 12 I/O 通用數(shù)字 I/O；定時器 A 時鐘輸入。P2.0/ACLK 20 I/O 通用數(shù)字 I/O；輔助時鐘 ACLK 輸出。這里作為LED 位選擇使用充當(dāng) I/O 口P2.3/CA0/TA1 23 I/O 通用數(shù)字 I/O；比較器 A 輸入端；比較方式：OUT1 輸入。這里作為 LED 位選擇使用充當(dāng) I/O 口P2.2/CAOUT/TA0 22 I/O 通用數(shù)字 I/O；比較器 A 輸出端；捕獲方式：15CCIOA 輸入。這里作為 LED 位選擇使用充當(dāng) I/O口P2.1/TAINCLK 21 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 位選擇使用充當(dāng) I/O口P3.7/URXD1 35 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的h 端P3.6/UTXD1 34 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的g 端P3.5/URXD0 33 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的f 端P3.4/UTXD0 32 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的e 端P3.3/UCLK0/SCL 31 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的d 端P3.2/SOMI0 30 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的c 端P3.1/SIMO0/SDA 29 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的b 端P3.0/STE0 28 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為 LED 數(shù)碼管 7 段現(xiàn)實中的a 端P4.1/TB1 37 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為加熱管功率借口電路控制輸出P4.2/TB2 38 I/O 通用數(shù)字 I/O。這里作為加熱管功率借口電路輸出P4.0/TB0 36 O 通用數(shù)字 I/O。這里作為加熱管功率借口電路輸出XT2OUT 52 I/O 晶振 XT2 輸出。XT2IN 53 I/O 晶振 XT2 輸入。RES/NMI 58 I 復(fù)位輸入或非屏蔽中斷輸入端。下文的復(fù)位電路中會介紹。P6.0/A0 59 I/O 通用數(shù)字 I/O。通過熱電偶放大電路輸入到單片機進(jìn)行處理的輸入端。以上是本設(shè)計中所使用的端口，其他端口的功能未在設(shè)計中體現(xiàn)，不再一一介紹，16其他引腳的功能可參考附錄。3.2.2 復(fù)位電路復(fù)位電路，就是利用它把電路復(fù)位到最開始的狀態(tài)。就跟計算器的清零按鈕的功能一樣，使計算器回到最開始的狀態(tài)，重新開始工作。和計算器清零功能有所不同的是，復(fù)位電路驅(qū)動方式有所不同。一是在給電路通入有效電信號后立即實施復(fù)位操作；二是在單片機處于系統(tǒng)錯誤或由于操作有誤導(dǎo)致程序奔潰無法工作時可以由手動操作，實施復(fù)位操作；三是根據(jù)設(shè)定的程序或者電路運行的需要自行復(fù)位操作。本設(shè)計的復(fù)位電路相對簡單，只設(shè)計了手動復(fù)位電路，在元器件方面選擇了電阻、電容以及復(fù)位按鈕組合就可以辦到了。圖 3.11 復(fù)位電路復(fù)位電路工作原理如圖 3.11 圖所示，當(dāng) key2 斷開時，由于 C2-5 左端接地，右端接電源，所以 C2-5 充電，當(dāng) key2 閉合的瞬間，由于電容充電，電容右邊電勢高，會通過 key2 接地放電，此時 RESET2 電勢歸零，使得單片機系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位操作；當(dāng) key2 斷開， C2-5 會充電 reset2 口也有電壓，使得單片機進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下 key2，C2-5 放電，使得電勢歸零，使得單片機復(fù)位 14。3.2.3 時鐘電路時鐘電路就是單片機中產(chǎn)生像時鐘般的精準(zhǔn)的振蕩電路。對于單片機來講，時鐘信號尤為關(guān)鍵，單片機的任何指令工作都需要按時間次序來履行。本設(shè)計通過參考資料選用的時鐘電路是采用了晶振經(jīng)由振蕩電路起振構(gòu)成與晶振頻率響應(yīng)的時鐘17信號，MSP430 單片機在時鐘信號的作用下，能夠平穩(wěn)地運行程序指令，完成指令要求的任務(wù)。圖 3.12 時鐘電路4 溫度控制系統(tǒng)軟件部分4.1 程序設(shè)計語言選擇4.1.1 C 語言C 語言作為一門普遍通用的計算機編程語言，已經(jīng)普及運用到各個領(lǐng)域范疇當(dāng)中。C 語言的設(shè)計方針是為使用者提供一種能以簡捷的方式編譯、高效地處理低級存儲器、盡量少產(chǎn)生機器碼和不需要任何運行環(huán)境支持的前提下都可以獨立運行的編程語言 15。雖然 C 語言提供了許多基本功能，但它依然保持著優(yōu)秀的跨平臺的特性，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式撰寫的 C 語言程序可以在各類的電腦平臺上進(jìn)行編譯運行，甚至包含一些嵌入式處理器以及超級電腦等作業(yè)平臺也同樣適用。4.1.2 C 語言與匯編語言對比相對于 C 語言，匯編語言是用語言直接調(diào)控硬件，由硬件間相互傳遞而達(dá)到某種控制效果。而 C 語言是一種相對高級的程序設(shè)計語言，編寫者可以不用去思量硬件而直接去命令計算機工作達(dá)到想要的控制效果。兩者相對比，匯編語言對描述過程更為重視，C 語言的高級語言更注重描述結(jié)果。匯編語言作為一個符號化的機器語言，其代碼履行效率高，運行速度快，對 DSP 內(nèi)核控制管理便利，可以充分發(fā)揮18DSP 的硬件機能，非常適合于編寫即時性要求嚴(yán)格的控制編程。但其開發(fā)編寫的工作量大，程序的可讀性差，對比之下，C 語言具備可讀性強、編程簡略和調(diào)試方便等特色。C 語言是當(dāng)今十分流行的一種編程設(shè)計語言，除了具備高級語言應(yīng)用靈活通用、數(shù)據(jù)處理能力強、程序結(jié)構(gòu)清晰易懂等優(yōu)點。若程序設(shè)計需要，C 語言還可實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，如可直接對硬件進(jìn)行操作控制。因此若工程上對硬件處理速度要求不高的情況下，基本選用用 C 語言來代替匯編語言，編寫接口電路的控制軟件。即使 C 語言功能強大，但 C 也不可能完全代替匯編語言，如在一些對速度要求十分高的實時控制系統(tǒng)中，以及對硬件的特殊控制方面，C 語言的表現(xiàn)能力相對遜色，還是需要選用匯編語言來編寫程序。由于匯編語言目標(biāo)代碼簡練清晰，對硬件直接控制能力更強和執(zhí)行速度更快 16。由于本設(shè)計對硬件處理速度上要求不高，根據(jù)兩者之間的優(yōu)勢，在溫控系統(tǒng)程序設(shè)計語言上的選擇，本設(shè)計選用了 C 語言來編寫軟件程序。4.2 溫度控制軟件設(shè)計（流程圖）開始系統(tǒng)初始采集溫度值溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度？加熱是否19顯示溫度結(jié)束圖 4.1 溫度控制系統(tǒng)軟件工作流程圖4.3 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換模塊4.3.1 K 型熱電偶所測溫差程序unsigned Cal_TemperK() unsigned long int TemperK; / 保存測溫值的變量P6SEL=BIT0; / 使能外部 IO 口的 AD 功能ADC12CTRL0=ADC12ON+SHT0_2; / 模塊允許，設(shè)定采樣定時器時 間ADC12CTRL1=SHP; / 使用內(nèi)部采樣定時器ADC12CTRL0|=ENC; / 模塊允許ADCMEMCTRL0=INCH_0; / 使用通道 0 寄存器ADC12CTRL0|=ADC12SC; / 開始轉(zhuǎn)換while(ADC12IFG / 讀取轉(zhuǎn)換值TemperK=TemperK*3300;TemperK=TemperK/16790; / 計算測量得到的溫度return TemperK;204.3.2 K 型熱電偶所測溫度計算公式推導(dǎo)根據(jù) K 型熱電偶的參考數(shù)據(jù)可得，K 型熱電偶的溫度系數(shù)為：41µV/經(jīng)過熱電偶放大電路放大處理后，K 型熱電偶的溫度系數(shù)被放大了 100 倍，得到4100µV/=4.1mV/則實際溫度 TemperK 為：（4.1）mV/1.4/)30*496Vx(TemprK式中： Vx實際的數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入量， ADC 轉(zhuǎn)換得到 12 位二進(jìn)制的數(shù)值。409612 位二進(jìn)制的最大值。3300mV是 AD 轉(zhuǎn)換的參考電壓4.3.3 內(nèi)部冷端補償值計算程序unsigned long int Cal_Temper_Indoor()unsigned long int temp; unsigned long int TemperC; / 存儲室溫值 ADC12CTL0 = SHT0_8 + REFON + ADC12ON; / 設(shè)置采樣時間，模塊工作允許，內(nèi)部參考電壓 ADC12CTL1 = SHP; / ADC 采樣使用內(nèi)部定時器 ADC12MCTL0 = SREF_1 + INCH_10; / 參考電壓 1.5v，通道 10，專用的測溫通道 ADC12CTL0 |= ENC; / 允許轉(zhuǎn)換 ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 開始轉(zhuǎn)換 /oC = (x/4096)*1500mV)-986mV)*1/3.55mV = x*423/4096 - 278/IntDegC = (ADC12MEM0 - 2692)* 423/4096while(ADC12IFG / 軟件查詢，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，temp=ADC12MEM0; / 取出轉(zhuǎn)換的結(jié)果TemperC = (temp - 2692) * 423;TemperC = TemperC / 4096; / 計算得到溫度值21return TemperC;/4.3.3 內(nèi)部冷端補償值計算推導(dǎo)根據(jù) MSP430x1xx Family User's Guide 的 17.2.8 Using the Integrated Temperature Sensor 中描述 17，圖 4.2 典型的溫度傳感器的傳遞函數(shù)有圖 4.2 可得，對其進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換：(4.2)mVTEMPVTEMPVccTEMP 9865.3986.0035. 相關(guān)的數(shù)字推導(dǎo)：(4.3)mxTEMP15049622根據(jù)結(jié)合（4.3）和（4.2）得到：4096)2(35.)9861504( VxmVxTEMPc（4.4）式中：TEMPc內(nèi)部溫度冷端補償?shù)臏囟戎?500mV是 AD 轉(zhuǎn)換的參考電壓4.3.4 溫度控制系統(tǒng)顯示溫度根據(jù)式子（4.1）和（4.3）可得：實際溫度值（顯示溫度）：Temper Actual = TemperK + TEMPc （4.5）式中：TemperK K 型熱電偶所測溫度TEMPc 內(nèi)部溫度計算（冷度補償值）5 溫度控制系統(tǒng)實驗燈泡溫度測控5.1 實驗?zāi)康尿炞C溫度測量的硬件電路實現(xiàn)方法，掌握測量的信號放大處理、單片機系統(tǒng)處理、現(xiàn)實系統(tǒng)處理和功率接口的工作原理。測試出經(jīng)過溫度控制后的燈泡在常溫中加熱的曲線，計算出溫度控制的誤差范圍，對溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定性作出誤差分析。235.2 實驗方法原理分析用 K 型熱電偶作為傳感器，溫度系統(tǒng)的加熱管功率輸出口連接到燈泡上，在 PC系統(tǒng)上設(shè)定好目標(biāo)溫度值，使溫控系統(tǒng)在電燈泡的溫度改變下進(jìn)行加熱功率控制，當(dāng)溫度未達(dá)到目標(biāo)溫度值時，單片機的輸出控制信號依然是為加熱功率接口提供電源；當(dāng)溫度達(dá)到溫度值后，單片機的輸出控制信號會使加熱功率接口斷開電源，從而達(dá)到溫度控制的效果。此實驗僅使用加熱功率借口電路功能，來驗證溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性 18。5.3 實驗設(shè)備1) 被控設(shè)備：200w 的電燈泡2) 測溫儀器：紅外測溫儀3) 操作儀器：PC 系統(tǒng)4) 控制系統(tǒng)：溫度控制5.4 實驗步驟及操作1) 接線：按照溫度控制系統(tǒng)硬件部分要求接線，將信號采集端 CN2 連接到熱電偶傳感 器，將傳感器緊貼在燈泡的表面上，再將輸出端 CN15 用電線連接至電燈泡，檢查沒有連接錯誤后，給單片機上電，完成電路接線工作。2) 溫控系統(tǒng)準(zhǔn)備工作：完成接線工作后，在 PC 操作系統(tǒng)上通過鍵盤輸入設(shè)定好目標(biāo)溫度后，完成溫控系統(tǒng)準(zhǔn)備工作。 3) 數(shù)據(jù)測量：在 PC 操作系統(tǒng)上點擊開始工作，每隔 5 分鐘記錄溫度控制系統(tǒng)顯示電 路的數(shù)值，并且用紅外測溫儀對燈泡進(jìn)行溫度測量，共需要測量 12個數(shù)據(jù)。4) 數(shù)據(jù)歸納：將系統(tǒng)所得溫度值與紅外測溫儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理后，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比 和誤差分析等后續(xù)工作。24圖 5.1 溫度控制系統(tǒng)5.5 實驗數(shù)據(jù)總結(jié)由溫度控制系統(tǒng)所記錄數(shù)據(jù)如下：表 5.2 溫度控制系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)時間/分鐘 0 5 10 15 20 25 30溫度/攝氏度 28.1 66.4 81.3 80.5 80.5 79.4 79.8時間/分鐘 35 40 45 50 55 60溫度/攝氏度 80.2 81.2 80.8 79.4 79.5 80.3根據(jù)溫控系統(tǒng)說記錄的數(shù)據(jù)，自動繪出的溫度-時間曲線如下：25圖 5.3 溫度控制系統(tǒng)溫度曲線由紅外測溫儀所記錄的數(shù)據(jù)如下：表 5.4 紅外測溫儀記錄數(shù)據(jù)時間/分鐘 0 5 10 15 20 25 30溫度/攝氏度 28.5 66.9 81.5 80.9 80.6 80.1 80.3時間/分鐘 35 40 45 50 55 60溫度/攝氏度 80.3 81.6 81.1 79.6 79.9 80.6根據(jù)紅外測溫儀器記錄的數(shù)據(jù)，自動繪出的溫度-時間曲線如下： 圖 5.5 紅外測溫儀溫度曲線根據(jù)兩組數(shù)據(jù)對比可得，溫控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)基本符合實際情況，溫度都控制在目標(biāo)溫度 80 攝氏度。5.6 數(shù)據(jù)處理及誤差分析由于實驗的前十分鐘溫度控制系統(tǒng)處于加熱狀態(tài)，起所獲得的數(shù)據(jù)不具有代表性，所以在數(shù)據(jù)分析的過程中不歸類為分析對象。