水温控制系统(C题)
重庆大学光电工程学院参赛队员:吴蔡傅
摘要本水温控制系统是基于MSP430单片机为主控芯片,键盘输入设定温度，并在LCD1602上显示设定温度和实时温度。通过DS18B20温度传感器对水温进行采样,将采得的数字温度信号送给单片机,单片机对温度进行PID算法,通过改变加热控制方波的占空比达到精确控制温度的目的。本水温控制系统的静态误差≤0.2°C，当设定的温度比实时温度高0.12°C时，则启动风扇降温，10分钟左右到达稳定状态。本系统能够很精确地实现水温控制，是一个很好的水温控制方案。
关键字MSP430 PID算法 DS18B20温度传感器
Abstract:The temperature control system is based on the MSP430 microcontroller as the
master chip, control temperature is set through keyboard and the LCD1602 display the control temperature and the real-time temperature. Temperature sensor DS18B20 samples the water temperature and sents the digital signal to the microcontroller, the microcontroller on the temperature of PID algorithm changes the duty cycle of heating control square wave to achieve precise control of temperature. The temperature control system of static error ≤ 0.2 ° C.when the set temperature higher than the real-time temperature 0.12 °C, then the fan starts to cool , reaching the steady state cost about 10 minutes. The system can achieve a very precise temperature control, this temperature control is a good program.
Keywords: MSP430 PID algorithm temperature sensor DS18B20
摘要 (1)
1 方案论证与比较 (3)
1.1 温度传感器的比较与选择 (3)
1.2 控制器的选择 (3)
1.3 加热器的比较与选择 (3)
1.4 显示器的比较与选择 (3)
2 系统设计 (4)
2.1总体设计 (4)
2.2 单元电路设计 (5)
2.2.1 温度传感器电路设计 (5)
2.2.2 键盘电路设计 (6)
2.2.3 电热杯加热电路设计 (7)
2.2.4 风扇冷却电路设计 (7)
2.2.4 液晶显示电路设计 (8)
3 软件设计 (9)
3.1总体设计 (9)
3.2 主函数 (9)
3.3 温度获取函数 (10)
3.4 端口1中断函数 (11)
3.5键盘扫描函数 (12)
3.6 液晶显示函数 (13)
3.7信号控制函数 (14)
4 系统测量 (15)
5 结束语 (17)
参考文献 (17)
附录 (17)
1 方案论证与比较
1.1 温度传感器的比较与选择
方案一、AD590是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e 结压降的不饱和值VBE 与热力学温度T 和通过发射极电流I 的下述关系实现对温度的检测
具有线性好,精度适中,灵敏度高,体积小,使用方便等优点。AD590D的输出形式有电流和电压两种形式，要将温度传感器采集的温度值经过AD转换，然后送入单片机进行处理。
方案二、采用DS18B20数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD转换。将采集的值直接送入单片机进行处理。DS18B20测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温。
在市面上AD590比DS18B20贵几倍，同时AD590的外围电路比DS18B20的复杂，就这价格和电路实现难易的考虑，本系统选择方案二。
1.2 控制器的选择
方案一、采用最简单的51单片机处理温度数据、键盘的输入和LCD的显示。利用51单片机的优点是价格便宜，使用比较方便，缺点是接口少，使用时需扩展，外围电路比较多，运算处理速度不高，功耗高。
方案二、利用MSP430对温度数据等进行处理，处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境。对于实现本系统的功能绰绰有余。
综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。
1.3 加热器的比较与选择
方案一、将搪瓷器皿直接放在加热炉上进行加热，方便简单，很容易实现，但是缺点是对于加热一升水能源浪费比较大，不能完全有效地利用加热炉，同时加热炉功率较大，不能很好地精确地控制水温。
方案二、用电热杯对一升水进行加热，电热杯功率较小（300W），能够实现很好地精确控制，同时电热杯使用方便，体积小，质量轻，价格便宜。
综合比较上面两个方案，本系统选择方案二。
1.4 显示器的比较与选择
方案一、采用TFT_LCD作为显示温度值的器件。每个液晶像素点都是由集成在像素点后
面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一。
方案二、采用LCD1602作为显示温度值的器件。LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x2个字符，1602采用标准的16脚接口，其中包括8根数据线，三根控制线，电源、地、就液晶驱动电压引脚。使用方便，价格适中。
由于本系统只需要显示温度值，对分辨率和颜色方面要求不高，所以综合价格和系统需求考虑，本系统选择方案二。
2 系统设计
2.1总体设计
该系统控制核心采用MSP430F149单片机，采用4x4矩阵键盘作为设定温度的输入，采用LCD1602显示数据，采用DS18B20单线温度传感器，单片机通过控制两个继电器，达到分别控制风扇和电热杯的目的。
图1 总体设计框架图
2.2.1 温度传感器电路设计
图2
DS18B20采用一总线技术，在使用时需在外部接一个上拉电阻（取经验值4.7K），在总线闲置时为高电平。信息通过单总线接口将数字温度值送入单片机进行处理和显示。
DS18B20的特性：
(1)电压范围为3.0~5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
(2)温度使用范围为-55°C ~+125°C，在-10°C ~+85°C时精度为±0.5°C。
(3)可编程的分辨率为9~12位，对应的课分辩温度为0.5°C、0.25°C、0.125°C
和0.0625°C，可实现高精度测量。
(4)具有负电压特性。
图3
键盘的行列线接入单片机的P1口，当有键按下时就会产生中断信号（P1口的每一个位都可以产生中断信号），然后进入中断程度，对键盘进行扫描，确定按键的值。
2.2.3 电热杯加热电路设计
图4
当单片机P5.5脚输出高电平时，三极管8050导通，从而固态继电器打到NO端，电热杯与220V交流电形成通路，对水进行加热。二级管IN4148固态继电器起着保护作用。
2.2.4 风扇冷却电路设计
图5
当实时温度比设定的温度高出0.12°C时，P5.7输出高电平，导通8050，从而使固态继电器打到NO端是风扇工作，对水降温。风扇由5V直流电源驱动。
2.2.4 液晶显示电路设计
图6
P3.0、P3.1、P3.2接LCD1602的三个控制引脚，P4口作为LCD1602的数据接口。通过对控制引脚的控制，从而实现温度显示的功能。
3 软件设计
3.1总体设计
总程序一共包含五个c 文件，程序结构框图如图7所示：
3.2 主函数
主函数流程图如图8所示
main.c
系统初始化
调用各种初始化函数
端口1（键盘）中断 循环执行温度获取函数
lcd1602.c 液晶初始化 显示单个字符 显示多个字符 显示一个字符串 图7
温度获取函数流程图如图9
3.4 端口1中断函数
端口1（键盘）中断函数如图10所示
图10 端口1中断函数
3.5键盘扫描函数
键盘扫描函数流程图如图11所示
图11 键盘扫描函数流程图
3.6 液晶显示函数
液晶显示函数流程图如图12所示
3.7信号控制函数
信号控制函数流程图如图13所示
图13 信号控制函数流程图
4 系统测量
经过系统对温控系统加热的过程录像，然后加热时间段每5秒记一次数，到达60度是每2秒记一个数据，最后将获得的数据在MATLAB中画出相应图。
图14 温控响应图
图15 局部放大图
5 结束语
由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。
参考文献
[1] 曹磊．MSP430单片机C程序设计与实践．北京航空航天出版社，2007.5
[2] 张德丰．MATLAB控制系统设计与仿真．电子工业出版社，2009.6
[3] 杨邦文．新型继电器实用手册．人民邮电出版社，2004.6
[4] 岂兴明．唐杰．51单片机编程基础与开发实例详解．人民邮电出版社，2008.11
[5] 杨素行．模拟电子技术基础简明教程．高等教育出版社，2008.4
[6] 阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社，2009.12
附录
附录1 系统总电路图
附录2 元件清单
说明
本系统采用的是MSP430F149单片机，软件用的是IRA Embedded Workbench4.20.1版本。并附开发板原理图
此系统程序包含键盘扫描程序，温度获取程序（ds18b20），lcd1602显示程序，pid算法程序，以及控制程序。
目录
main.c (21)
keypad.h (23)
Lcd1602.h (26)
Ds18b20.h (32)
Control.h (40)
pid算法程序 (43)