마이크로컨트롤러 온도 제어 시스템에 관한 논문 요청

주요 단어: 이 기사에서는 MSP430 마이크로컨트롤러를 기반으로 하는 온도 측정 및 제어 장치를 소개합니다. 장치는 온도를 측정하고 설정 값에 따라 주변 온도를 조정하여 온도 제어를 달성할 수 있습니다. 제어 알고리즘은 디지털 PID 알고리즘을 기반으로 합니다.

0 소개

온도는 산업 제어, 특히 야금, 화학 산업, 건축 자재, 식품, 기계, 석유 및 기타 산업에서 주요 제어 매개변수 중 하나입니다. 무게와 가벼움. 전자기술과 마이크로컴퓨터의 급속한 발전으로 인해 마이크로컴퓨터 측정 및 제어 기술이 급속히 발전하여 널리 사용되고 있다[1]. 마이크로 컨트롤러는 강력한 처리 능력, 빠른 실행 속도 및 낮은 전력 소비라는 장점을 가지고 있으며 제어가 간단하고 편리하며 측정 범위가 넓고 정확도가 높습니다.

이 기사에서는 주변 온도를 측정하고 주어진 온도 값에 따라 조정량을 제공하며 액추에이터를 제어하고 조정을 실현할 수 있는 MSP430 단일 칩 마이크로컴퓨터를 기반으로 하는 온도 측정 및 제어 장치를 설계합니다. 목적.

1 전체 계획 설계

마이크로 컨트롤러 온도 제어 시스템은 MSP430 마이크로 컨트롤러를 제어 코어로 사용합니다. 전체 시스템의 하드웨어 부분에는 온도 감지 시스템, 신호 증폭 시스템, A/D 변환, 마이크로 컨트롤러, I/O 장비, 제어 실행 시스템 등이 포함됩니다.

마이크로컨트롤러 온도 제어 시스템의 제어 블록 다이어그램은 다음과 같습니다.

온도 센서는 온도 정보를 아날로그 전압 신호로 변환한 후 전압 신호를 일정 범위로 증폭합니다. 필터링을 통해 간섭 신호가 필터링되어 마이크로컨트롤러로 전송됩니다. 신호는 마이크로컨트롤러에서 샘플링되어 측정 정확도를 더욱 향상시키기 위해 샘플링 후 신호가 디지털 방식으로 필터링됩니다. 마이크로 컨트롤러는 감지된 온도 정보와 설정 값을 비교하여 일치하지 않으면 디지털 조정 프로그램이 주어진 값과 측정 값의 차이를 기반으로 PID 제어 알고리즘에 따라 제어량을 설계하고 트리거 프로그램이 제어합니다. 제어량에 따른 실행단위. 감지된 값이 설정 값보다 높으면 주변 온도를 낮추기 위해 냉동 시스템이 시작됩니다. 감지된 값이 설정 값보다 낮으면 온도 제어 목적을 달성하기 위해 난방 시스템이 시작되어 주변 온도가 높아집니다. .

2 온도 신호 감지

이 시스템에서는 감지 정확도가 그다지 높지 않고 상온에서도 가능하므로 고정밀 서미스터가 온도 센서로 사용됩니다. 서미스터는 높은 감도, 강력한 안정성 및 높은 상호 교환 정확도의 특성을 가지고 있습니다. 이는 증폭기 회로를 매우 단순하게 만들고 상호 보상 문제를 제거할 수 있습니다.

서미스터는 온도가 증가하면 저항값이 감소하는 음의 저항 온도 특성을 가지고 있습니다. 저항-온도 특성 곡선은 비선형성이 큰 지수 곡선입니다. 이 설계의 경우 온도 요구 사항이 높지 않기 때문에 실온에서 서미스터의 저항은 기본적으로 주변 온도와 선형 관계를 갖습니다. 이러한 방식으로 온도 값은 다음을 통해 간단히 전압 값으로 변환될 수 있습니다. 저항 전압 분할.

서미스터에 일정한 전류를 흘림으로써 저항에 걸리는 전압을 얻을 수 있으며, 온도 매개변수 T0와 서미스터 특성과 관련된 특성 계수 k에 따라 다음 공식을 얻을 수 있습니다.

p>

T=T0-kV(t) (1)

여기서 T는 측정된 온도입니다.

위 식에 따르면, 저항값과 온도의 관계는 전압값과 온도의 관계로 변환될 수 있는데, 서미스터의 전기적 신호는 일반적으로 밀리볼트 수준이기 때문에, 열을 변환하려면 증폭되어야 합니다. 민감한 저항기에 의해 측정된 전기 신호는 마이크로컨트롤러에서 사용되기 전에 0에서 3.6 사이의 값으로 변환되어야 합니다.

아래 사진은 증폭회로의 개략도이다. 전압 조정기 튜브의 전압 안정화 값은 1.5V입니다.

센서는 약한 아날로그 신호를 출력하기 때문에 신호에 환경 간섭이 있으면 간섭 신호도 동시에 증폭되어 감지 정확도에 영향을 미칩니다. 아날로그를 처리하려면 필터 회로가 필요합니다. 신호 간섭 방지 능력을 향상시키기 위해 먼저 신호를 보내십시오. 이 시스템은 Butterworth의 2차 능동형 저역 통과 필터 회로를 사용합니다. 버터워스 2차 능동 저역 통과 필터 회로의 차단 주파수를 선택하세요

fH=10kHz.

3 제어 시스템 설계

3.0 소프트웨어 설계

단일 칩 온도 컨트롤러는 온-오프 제어를 사용하여 100℃에서 400℃까지 온도 범위를 제어합니다. , 주어진 제어를 변경하여 온도 조정 목적을 달성하기 위해 온도를 높이거나 낮추기 위해 사이클 중에 가열 및 냉각 장비의 켜짐 및 꺼짐 시간을 제어합니다.

소프트웨어 설계에서 제어주기 TC는 200(T1×C)으로 선택하고, 도통시간은 Pn×T1×C로, 여기서 Pn은 출력 제어량, Pn 값은 0에서 200 사이입니다. T1은 타이머의 시간이고 C는 상수입니다. 위의 두 방정식에서 T1 타이밍 시간이나 상수 C를 변경하면 제어 주기 TC의 크기가 변경될 수 있음을 알 수 있습니다. 온도 조절기에 의해 제어되는 최대 온도는 400°C입니다. 주어진 온도가 400°C를 초과하면 400°C로 계산됩니다.

그림 3은 샘플링 인터럽트 흐름도이다.

디지털-아날로그 변환부는 마이크로컨트롤러와 함께 제공되는 12비트 A/D 변환기를 사용하므로 디지털-아날로그 변환과 제어를 동시에 실현할 수 있어 별도의 조작이 필요하지 않습니다. 전용 변환 칩으로 시스템을 더욱 빠르고 정확하게 만들어 회로를 단순화합니다. 샘플링 주기는 500μs입니다. 16점의 데이터를 수집한 후 플래그 "nADCFlag =1"을 설정하여 16점의 데이터가 수집되었음을 메인 프로그램에 알리고 메인 프로그램은 글로벌 버퍼에서 데이터를 읽습니다.

랜덤 신호가 시스템 정확도에 미치는 영향을 더욱 줄이기 위해 A/D 변환 후 샘플링된 값은 평균 방법을 사용하여 디지털 방식으로 필터링됩니다. 평균은 16개 샘플링 포인트마다 계산됩니다. 계산된 평균값은 측정 데이터로 표시됩니다. 동시에 PID 알고리즘에 따라 온도 샘플링 값과 주어진 값 사이의 편차를 제어하여 제어량을 얻습니다. 전체 샘플링 프로세스가 완료된 후 샘플링 인터럽트를 마스크할 수 있으며 동시에 T1 타이밍[3]을 시작하여 제어 프로세스에 들어갈 수 있습니다.

온도값과 서미스터 측정값은 기본적으로 전체 온도 샘플링 간격 내에서 선형적으로 변화하므로 프로그램에서 측정 데이터를 선형적으로 수정할 필요가 없습니다. MSP430의 T1 타이머 인터럽트는 제어 인터럽트로 사용됩니다. 온도 샘플링 프로세스와 제어 출력 프로세스는 연동 구조를 채택합니다. 즉, T1은 온도 샘플링, 온도 값 처리 및 계산 중에 시간이 정해지지 않고, 온도 샘플링 프로세스가 완료되면 다시 시작됩니다. 전체 샘플링 프로세스가 완료되면 T1의 시간이 정해지며 동시에 샘플링 인터럽트가 마스크됩니다. 제어 프로세스는 T1 타이밍 시작부터 시작되며 전체 제어 프로세스 동안 샘플링이 수행되지 않고 200(T1×C) 타이밍 시간이 될 때까지 새로운 제어 주기가 시작됩니다. 샘플링을 시작하는 동안 T1 인터럽트를 마스크합니다.

그림 4는 T1 시간 인터럽트 흐름도입니다.

그림에서 M은 타이머 제어 주기 횟수 값을 나타내고, N은 조절기가 계산한 제어량을 나타낸다. 먼저, 제어기간(TC)이 종료되었는지 판단한다. 제어 기간 TC가 종료된 경우(즉, M=0), T1 타이머 인터럽트가 마스크되고 제어 기간 TC가 아직 종료되지 않은 경우(즉, M≠0) 온도 샘플링의 새로운 라운드가 수행됩니다. 전도 시간이 종료되었는지 확인합니다. 전도 시간이 종료되면(즉, N=0) 출력 제어 신호가 낮게 설정되고 상수 C 값이 다시 할당되며, 전도 시간이 아직 종료되지 않은 경우 타이머가 시작되고 인터럽트 서비스 루틴이 종료됩니다. (즉, N ≠ 0), 그런 다음 출력 제어 신호를 하이로 설정하고, 제어 실행 중에 계속 수행하고, 상수 C 값을 재할당하고, 타이머 타이밍을 시작하고, 동시에 인터럽트 서비스 프로그램을 종료합니다.

3.1 디지털 PID

본 글의 제어 알고리즘은 디지털 PID 제어를 채택하고 있으며, 디지털 PID 알고리즘 표현은 다음과 같다.

그 중 KP는 비례 계수 KI= KPT/TI는 적분 계수이고, T는 샘플링 기간이고, TI는 적분 시간 계수이고, TD는 미분 시간 계수입니다. u(k)는 조정기의 k번째 출력이고, e(k)는 k번째 주어진 피드백 편차입니다.

PID 조정기의 경우 편차 값 출력이 크면 출력 값도 매우 커져 시스템이 불안정해질 수 있으므로 실제로 조정기의 출력 진폭을 제한해야 합니다. [4] 즉, |u|>umax일 때 u=umax 또는 u=-umax로 두거나, 특정 상황에 따라 결정합니다.

3.2 온도 조정

PI 컨트롤러는 온도 주어진 값과 측정된 값 사이의 편차에 따라 조정하고 조정량을 제공한 다음 마이크로 컨트롤러를 통해 PWM 파동을 출력합니다. 사이리스터 조정 트리거 단계의 위상 각도는 온도를 높이거나 낮추는 목적을 달성하기 위해 실행 구성 요소의 꺼짐 및 켜짐 시간을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 그런 다음 전체 시스템은 이전 단계에서 제어된 온도를 감지하여 추가 제어 수정을 수행하고 최종적으로 예상되는 온도 모니터링 목적을 달성합니다.

4 결론

이 설계는 마이크로 컨트롤러의 낮은 전력 소비와 강력한 처리 능력을 활용하고 마이크로 컨트롤러를 메인 컨트롤러로 사용하여 실내 주변 온도를 모니터링합니다.

구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 실용적인 가치와 개발 전망이 있습니다.

참고문헌

[1] Zhao Lijuan, Shao Xin. 단일 칩 마이크로컴퓨터 기반 온도 모니터링 시스템 설계 및 구현, 2006, 44(1)

[2] Zhang Zhangsheng, Guo Guofa. MCS-51 단일 칩 마이크로컴퓨터 온도 제어 시스템 설계, 2005, (7)

[3] Shen Jianhua, Yang Yanqin, Zhai Xiaoshu..MSP430 시리즈 저전력 마이크로컨트롤러의 원리 및 응용. Tsinghua University Press, 2004, 148-155

[4] Lai Shouhong Beijing: Machinery Industry Press. , 1994:90-95