Solicitando un artículo sobre el sistema de control de temperatura del microcontrolador

Palabras clave: Este artículo presenta un dispositivo de control y medición de temperatura basado en el microcontrolador MSP430. El dispositivo puede medir la temperatura y ajustar la temperatura ambiente según el valor establecido para lograr el control de la temperatura. El algoritmo de control se basa en el algoritmo PID digital.

0 Introducción

La temperatura es uno de los principales parámetros controlados en el control industrial, especialmente en la metalurgia, la industria química, los materiales de construcción, la alimentación, la maquinaria, el petróleo y otras industrias. peso y ligereza. Con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica y las microcomputadoras, la tecnología de control y medición por microcomputadoras se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente [1]. El microcontrolador tiene las ventajas de una gran potencia de procesamiento, una velocidad de funcionamiento rápida y un bajo consumo de energía. Se utiliza en la medición y control de temperatura. El control es simple y conveniente, el rango de medición es amplio y la precisión es alta.

Este artículo diseña un dispositivo de control y medición de temperatura basado en la microcomputadora de un solo chip MSP430, que puede medir la temperatura ambiente, proporcionar la cantidad de ajuste de acuerdo con el valor de temperatura dado, controlar el actuador y realizar el ajuste. de la temperatura ambiente.

1 Diseño del esquema general

El sistema de control de temperatura del microcontrolador utiliza el microcontrolador MSP430 como núcleo de control. La parte de hardware de todo el sistema incluye sistema de detección de temperatura, sistema de amplificación de señal, conversión A/D, microcontrolador, equipo de E/S, sistema de ejecución de control, etc.

El diagrama de bloques de control del sistema de control de temperatura del microcontrolador es el siguiente:

Después de que el sensor de temperatura convierte la información de temperatura en una señal de voltaje analógica, amplifica la señal de voltaje a un rango que el microcontrolador puede procesar. Mediante el filtrado, la señal de interferencia se filtra y se envía al microcontrolador. La señal se muestrea en el microcontrolador Para mejorar aún más la precisión de la medición, la señal se filtra digitalmente después del muestreo. El microcontrolador compara la información de temperatura detectada con el valor establecido. Si no coincide, el programa de ajuste digital diseña la cantidad de control de acuerdo con el algoritmo de control PID en función de la diferencia entre el valor dado y el valor medido, y el programa de activación controla. la unidad de ejecución según la cantidad de control. Si el valor detectado es mayor que el valor establecido, el sistema de refrigeración se inicia para reducir la temperatura ambiente; si el valor detectado es menor que el valor establecido, el sistema de calefacción se inicia para aumentar la temperatura ambiente para lograr el propósito de control de temperatura. .

2 Detección de señal de temperatura

En este sistema, la precisión de detección no es muy alta, puede ser a temperatura ambiente, por lo que se utiliza un termistor de alta precisión como sensor de temperatura. Los termistores tienen las características de alta sensibilidad, gran estabilidad y alta precisión de intercambio. Puede hacer que el circuito amplificador sea extremadamente simple y eliminar el problema de la compensación de intercambio.

El termistor tiene características de temperatura de resistencia negativas. Cuando la temperatura aumenta, el valor de resistencia disminuye. Su curva característica de resistencia-temperatura es una curva exponencial con gran no linealidad. Para este diseño, debido a que los requisitos de temperatura no son altos, a temperatura ambiente, la resistencia del termistor tiene una relación básicamente lineal con la temperatura ambiente [2]. De esta manera, el valor de temperatura se puede convertir simplemente en un valor de voltaje mediante. división de voltaje de resistencia.

Al pasar una corriente constante a través del termistor, se puede obtener el voltaje a través de la resistencia. Según el parámetro de temperatura T0 y el coeficiente característico k relacionado con las características del termistor, se puede obtener la siguiente fórmula.

T＝T0-kV(t) (1)

Donde T es la temperatura medida.

De acuerdo con la fórmula anterior, la relación entre el valor de resistencia y la temperatura se puede convertir en la relación entre el valor de voltaje y la temperatura. Dado que la señal eléctrica del termistor generalmente está en el nivel de milivoltios, debe amplificarse para convertir el calor. La señal eléctrica medida por la resistencia sensible debe convertirse a un valor entre 0 y 3,6 antes de poder usarse en el microcontrolador.

La siguiente imagen es el diagrama esquemático del circuito de amplificación. El valor de estabilización de voltaje del tubo regulador de voltaje es de 1,5 V.

Dado que el sensor emite una señal analógica débil, cuando hay interferencia ambiental en la señal, la señal de interferencia también se amplifica al mismo tiempo, lo que afecta la precisión de la detección. Se requiere un circuito de filtro para procesar el analógico. señal primero para mejorar la capacidad antiinterferencia. Este sistema utiliza el circuito de filtro activo de paso bajo de segundo orden de Butterworth. Seleccione la frecuencia de corte del circuito de filtro de paso bajo activo de segundo orden Butterworth

fH=10 kHz.

3 Diseño del sistema de control

Diseño de software 3.0

El controlador de temperatura de un solo chip controla el rango de temperatura de 100 ℃ a 400 ℃, usando control de encendido y apagado , cambiando el Control dado de los tiempos de encendido y apagado de los equipos de calefacción y refrigeración durante el ciclo para aumentar y disminuir la temperatura para lograr el propósito de regular la temperatura.

En el diseño del software, el período de control TC se selecciona como 200 (T1×C) y el tiempo de conducción es Pn×T1×C, donde Pn es la cantidad de control de salida y el valor de Pn es entre 0 y 200. T1 es el tiempo del temporizador y C es una constante. Se puede ver en las dos ecuaciones anteriores que al cambiar el tiempo de temporización T1 o la constante C, se puede cambiar el tamaño del período de control TC. La temperatura máxima controlada por el controlador de temperatura es 400°C. Cuando la temperatura dada excede los 400°C, se calcula como 400°C.

La Figura 3 es el diagrama de flujo de interrupción de muestreo.

La parte de conversión de digital a analógico utiliza el convertidor A/D de 12 bits que viene con el microcontrolador, que puede realizar la conversión y el control de digital a analógico al mismo tiempo, eliminando la necesidad de un chip de conversión dedicado, que hace que el sistema sea más rápido y preciso para simplificar el circuito. El período de muestreo es de 500 μs. Después de recopilar 16 puntos de datos, establezca el indicador "nADCFlag = 1" para notificar al programa principal que se han recopilado 16 puntos de datos y el programa principal lee los datos del búfer global.

Para reducir aún más el impacto de las señales aleatorias en la precisión del sistema, después de la conversión A/D, los valores muestreados se filtran digitalmente utilizando el método promedio. El promedio se toma cada 16 puntos de muestreo. El valor medio calculado se muestra entonces como datos de medición. Al mismo tiempo, según el algoritmo PID, se controla la desviación entre el valor de muestreo de temperatura y el valor dado para obtener la cantidad de control. Una vez completado todo el proceso de muestreo, la interrupción del muestreo se puede enmascarar y el tiempo T1 [3] se puede iniciar al mismo tiempo para ingresar al proceso de control.

El valor de temperatura y el valor de medición del termistor básicamente cambian linealmente dentro de todo el intervalo de muestreo de temperatura, por lo que no hay necesidad de corregir linealmente los datos de medición en el programa. La interrupción del temporizador T1 del MSP430 se utiliza como interrupción de control. El proceso de muestreo de temperatura y el proceso de salida de control adoptan una estructura de enclavamiento, es decir, T1 no está sincronizado durante el muestreo de temperatura, el procesamiento y el cálculo del valor de temperatura, y se reiniciará cuando el. Se completa el proceso de muestreo. T1 se cronometra y la interrupción de muestreo se enmascara al mismo tiempo. El proceso de control comienza al comienzo del tiempo T1 y no se realiza ningún muestreo durante todo el proceso de control. Hasta que finaliza el tiempo de tiempo 200 (T1×C), comienza un nuevo ciclo de control. Enmascare la interrupción T1 al iniciar el muestreo.

La Figura 4 es el diagrama de flujo de interrupción temporizada T1.

En la figura, M representa el valor del conteo del ciclo de control del temporizador y N representa la cantidad de control calculada por el regulador. En primer lugar, se juzga si el período de control TC ha finalizado. Si el período de control TC ha finalizado (es decir, M=0), la interrupción del temporizador T1 se enmascara y se realiza una nueva ronda de muestreo de temperatura; si el período de control TC aún no ha finalizado (es decir, M≠0), se inicia; determinar si el tiempo de conducción ha finalizado. Si el tiempo de conducción ha terminado (es decir, N=0), la señal de control de salida se establece en nivel bajo y se reasigna el valor C constante, se inicia el temporizador y se sale de la rutina de servicio de interrupción si el tiempo de conducción aún no ha terminado; (es decir, N ≠ 0), luego configure la señal de control de salida en alto, continúe conduciendo durante la ejecución del control, reasigne el valor C constante, inicie la sincronización del temporizador y salga del programa de servicio de interrupción al mismo tiempo.

3.1 PID digital

El algoritmo de control en este artículo adopta control PID digital. La expresión del algoritmo PID digital es la siguiente:

Entre ellos, KP. es el coeficiente proporcional; KI= KPT/TI es el coeficiente integral; T es el período de muestreo, TI es el coeficiente integral de tiempo; KD=KPTD/T es el coeficiente diferencial de tiempo; u(k) es la k-ésima salida del regulador, y e(k) es la k-ésima desviación dada y de retroalimentación.

Para el regulador PID, cuando el valor de desviación de salida es grande, el valor de salida será muy grande, lo que puede provocar inestabilidad en el sistema. Por lo tanto, en la práctica, es necesario limitar la amplitud de salida del regulador. [4], es decir, cuando |u|>umax, sea u=umax o u=-umax, o determinelo según la situación específica.

3.2 Ajuste de temperatura

El controlador PI se ajusta de acuerdo con la desviación entre el valor dado de temperatura y el valor medido, proporciona la cantidad de ajuste y luego emite la onda PWM a través del microcontrolador para ajustar el tiristor El ángulo de fase de la fase de disparo se utiliza para controlar el tiempo de encendido y apagado del componente de ejecución para lograr el propósito de aumentar o disminuir la temperatura. Luego, todo el sistema realizará más correcciones de control detectando la temperatura controlada en la etapa anterior y finalmente logrará el propósito de monitoreo de temperatura esperado.

4 Conclusión

Este diseño aprovecha el bajo consumo de energía y las fuertes capacidades de procesamiento del microcontrolador, y utiliza el microcontrolador como controlador principal para monitorear la temperatura ambiente interior.

Tiene una estructura simple y alta confiabilidad, y tiene cierto valor práctico y perspectivas de desarrollo.

Referencias

[1] Zhao Lijuan, Shao Xin. Diseño e implementación de un sistema de monitoreo de temperatura basado en un microordenador de un solo chip Machinery Manufacturing, 2006, 44(1)

[2] Zhang Zhangsheng, Guo Guofa. Diseño del sistema de control de temperatura de microcomputadora de un solo chip MCS-51, 2005, (7)

[3] Shen Jianhua, Yang Yanqin, Zhai Xiaoshu... Súper principios y aplicaciones de 16 bits de la serie MSP430 de Tsinghua University Press, 2004, 148-155

[4] Lai Shouhong Tecnología de control de microcomputadoras. , 1994:90-95