基于MSP430F149型单片机的智能温度控制系统

No.6

计算机工程与设计

ComputerEngineeringandDesign

2006年3月Mar.2006

基于MSP430F149型单片机的智能温度控制系统

刘亚利1,2，敬

摘

岚1，乔卫民1

(1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；2.中国科学院研究生院，北京100039)

要：介绍了以MSP430F149单片机为核心的一个智能温度控制系统。介绍了如何利用MSP430F149本身的优点并结合相关的外部电路实现键盘输入、实时监测、自动温度控制和调节的控制系统的方法。重点阐述了系统的硬件构成、各部分的主要作用及系统软件的设计过程。由于本模块对输入量同时采用硬件和软件的非线性补偿，故具有精度高、可靠性较好、电路简单、成本低、体积小、生产调试方便等特点。关键词：MSP430F149;温度监测;温度控制;数码管中图法分类号：TP273.5

文献标识码：A

文章编号：1000-7024(2006)06-1062-03

IntelligenttemperaturecontrolsystembasedonMSP430F149single

chipmicrocomputer

LIUYa-li1,2,

JINGLan1,

QIAOWei-min1

(1.InstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China；

2.GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)

Abstract：AnintelligenttemperaturecontrollerbasedonMSP430F149singlechipmicrocomputerisintroduced.Howtorealizekeyboardinput,real-timestakeoutandmeasure,temperaturecontrolandadjustedautomaticallyisdescribed,viathemeritsofitselfandtherelativelyperipheralcircuit.Thehardwarestructureofthesystem,themainfunction,andtheprocessofthesystemsoftwaredesignareexpoundedemphatically.Theintegralcircuitadoptsbothhardwareandsoftwarenonlinearcompensationtechnology.Therefore,ithasmanyadvantagessuchashighaccuracy,highreliability,smallvolume,simplecircuit,lowcost,easydebuggingandsoon.Keywords：MSP430F149;temperaturestakeoutandmeasure;temperaturecontrolling;nixielight

0引言

度的远程控制和检测，并可以根据预先设定的温度阈值，进行自动升温或降温操作。用户可以通过数据显示电路，现场查看设备温度值，并可以通过键盘在现场进行智能温度控制器的设置。同时，用户也可以在远程通过网络由经RS-485总线，通过控制器上的串口电路，对它进行远程的温度设置与数据访问，这样极大地方便了工程人员在复杂控制系统中的分布式安装与调试工作。本温度控制器系统，可以按照现场设备要求和实际操作的需要来设定此次控制需要经过几个阶段（即几步）完成，设定每个步骤要求保持的温度域值以及需要观察的相关信息。而且本系统是实时采集数据，在采集的同时，检测比较系统会随时根据温度的变化而做出相应的调节，来控制加热系统的加电或断电或者是控制调节系统加热或冷却，以确保系统温度能够保持恒定。

在本控制系统的具体实现中，由于工程对温度的实时采集和温度的灵敏度要求很高，故必须对PT100的温度采集电路进行线性优化和误差处理，使PT100的阻值与温度之间的转换更加直接简单准确。以下是对整个系统的概述，其系统控制框图如图1所示。

国家大科学工程HIRFL—CSR（兰州重离子冷却储存环）是国家重点实验室之一。CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节，作为一个大型的分布式控制系统，它由多个子系统组成。CSR磁铁与真空控制系统有几千个烘烤系统控制量及仪表读出量，由此可见温度控制对整个系统的重要性。为实现远程自动监测和控制烘烤系统和磁铁的温度，就有了本设计模块的产生。它通过其自带的RS-485总线接口与上位网关相连，并通过网关连接到Intranet网络中。工作人员可通过网络远程监控真空控制系统中的烘烤系统或者是磁铁的温度，并将相关参数和数据通过网络传送给用户或直接自动存贮到网络数据库中，以备以后查询，也可以在本地通过输入输出端口直接读取数据以便现场监控和收集现场试验数据。

1系统结构

本智能温度控制系统的核心采用了MSP430系列微控制

器，并通过一定的数据采集电路，对现场中的烤箱设备进行温

收稿日期：2004-11-17。

作者简介：刘亚利(1976－)，女，河南郏县人，硕士生，研究方向为计算机应用；敬岚，女，副研究员，研究方向为计算机控制与嵌入式系统；乔卫民，男。

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RS-485总线

RS485TXDRXD键盘设定MSP430F14916位CPU数码管显示数据采集12位A/D转换器继电器热电炉或调节系统图1系统控制框架

整个智能温度控制器电路包括以下几大部分：①控制系统键盘输入，用于设定数值，是一个4×4的键盘；②数据采样及转换，将对PT100采集的电压信号经AD转换后，换算成温度值，用于控制和显示；③数据显示，采用7位8段数码管显示，将显示输出控制系统的有效数据和参数，便于用户观察实时信息；④继电器/热电炉或调节系统，通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的温度控制，这一部分的设计我们采用了闭环控制，由此可以更好地控制和保持温度的准确。

2硬件电路结构

针对HIRFL-CSR工程中对烘烤系统和磁铁温度控制的特

殊要求，我们特别设计了温度模拟量的数字化实时采集、现场

和远程控制、控制信息的终端输入以及显示输出电路。通过在现场中的安装与调试，本智能温度控制模块能很好地完成控制要求。其具体模块电路原理如下所述。

2.1输入输出电路

键盘电路即输入电路主要有4×4的键盘和相关辅助电路

构成。数码显示电路即输出电路主要由外接7位数码管、数码管驱动器、锁存器以及片选电路等组成，其中LED的片选信号是通过MSP430F149的I/O端口来提供。

2.2数据采集电路

铂热电阻PT100的物理化学性能在高温和氧化性介质中

很稳定，它能用作工业测温元件。由于它的电阻值与温度成比例关系，因此只要取得温度与电阻间的正确相对关系，即可准确计算出所要测得的温度。本系统在温度采集部分采用了温度传感器PT100。但是，铂热电阻的阻值与温度之间实际上并非成真正的正比例关系，所以为了补偿PT100的非线性特性，本系统在R18上加上少量的正反馈控制方式，这个反馈可以通过在较高的PT100输出值时提供稍高的输出量来实现函数的线性化。其次，由于采集信号经放大后的阈值区间过大，因此还需要一个分压电路再把信号压缩后送给MSP430进行处理。经过处理后温度（T）与阻值上的电压（U）之间的关系可表示成：U=0.00333T+0.8212。这样的线性关系表达式简单直观，数据处理时就不需要再事先存储相关的PT100的温度阻值对照表，具体电路如图2所示。

2.3继电器控制电路

烤箱的继电器控制电路是通过三极管的导通与断开来控

制继电器的开关。为了保护小继电器，我们选择脉冲驱动，脉冲宽度为1秒，以便使中间继电器更好地实现自锁功能。自锁原理如图3所示。P13代表升温脉冲，P12代表降温脉冲。当P13的电压由低变高时，三级管QA1导通，继电器UA1吸合，负载线圈构成回路，使得继电器UA3吸合，并实现自锁,UA4导通，烘箱开始加温。1秒钟后，P13的电压由高变低时，UA3已经自锁，继续工作；UA4也继续加温。当P12收到脉冲变成高电平，三极管QA2导通，UA2工作，使得自锁回路断开，UA3停止工作，

常开触点断开；脉冲结束以后，所有继电器都停止工作，从而达到降温的目的。

P13+5VUA3

RA1

8.2K2QC1

UA14

21

QA11OpenNPN

5

3CA1V1IN4007

DA1com4.7U

RELAY-DPST22VACP12315VSPDT2DA2V2

8.2RA2K2IN4007

UA2

422VACRA3

QA2

1RES11

NPN

3

CloseQC215CA2UA4

V32

4.7U

380VAC

35VSPDT

RELAY-SPST

图3

继电器控制电路

2.4A/D转换电路

MSP430F149单片机内置的12位精度的模数转换器带有采样保持功能，具有高速通用的特点。本设计采用了4个采集通道同时采集监控4个不同的对象（也可扩展到8个通道），故系统采用了12位ADC的序列通道多次转换模式进行工作。MSP430模数转换电路通过对其模拟通道进行多通道重复的A/D转换，使其所采集的温度数据不断自动更新。A/D序列通道多次转换的停止控制通过软件ENC置位来实现，不影响采样值。对PT100线性化的优化处理，不仅使得它的相应参数之间的关系简单化而且误差更小、准确度更高，加上12位高精度的ADC转换模块就能大大满足了设计的精度要求。

3软件设计

考虑到系统控制功能易于扩展的实际情况，故采用了模

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块化设计方案编制整个控制软件。该软件的子功能模块分割与硬件分块电路是相对应的。初始化模块在系统上电后对程序运行环境和一些功能寄存器进行初始化；LED显示模块通过显示子程序来控制位选择和数码管的显示驱动，将要显示的数据按照显示子程序的规定送入对应的显示缓存后，通过设定一定时段的定时器中断来循环调用显示子程序显示数据；为了提高MCU的响应速度，键盘处理模块使用I/O口线中断方式实现键盘输入，并通过软件延时消抖、键码识别模块来判断选择外部键盘输入信息；数据采样模块实时采集被控设备的温度信号并进行A/D转换，并对采样值进行比较判断，若设备温度达到设定的值，则计数器开始计时，待计时结束后继续下一步骤的任务。设备温度的保持与升降，可以通过软件根据外界条件自动设置继电器开关来控制加热设备的通断时间，以此来达到使温度按照使用者的设定值来变化的目的。系统的程序流程图如图4所示。

4结束语

TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信

号控制器，Flash型单片机具有更方便高效的开发调试环境，还具有灵活的时钟源、中断源的灵活嵌套及丰富的片内外设等诸多优点，这些都为我们设计和实现电路提供了非常便利的条件。在此基础上设计的本智能温度控制系统可以同时对4路甚至8路PT100电阻温度变送器的电阻变化信号进行测量，并通过RS-485总线和Intranet，实现了设备温度的远程测控。本远程测温系统经现场测试表明：该系统在0℃~450℃的温度范围内测量精度不低于±1.8

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