【正文】 D 算法設(shè)計(jì) III 附錄 ...........................................................................................................................................21 致謝 ...........................................................................................................................................48 基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 1 1 引言 單片機(jī)溫度 PID 算法的發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的許多環(huán)節(jié)中，溫度是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，因此溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中十分重要。 本課題的研究意義及前景 單片機(jī)在自動(dòng)化產(chǎn)品制造和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的智能儀表即是最典型的自動(dòng)化產(chǎn)品。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。如果在線獲取對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)計(jì)算和整定 PID 參數(shù)對(duì)于改進(jìn)控制算法設(shè)計(jì)具有積極意義。介紹此課題的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景。選擇 MSP430F149 控制芯片，選擇電加熱鍋基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 2 爐、 MSP430 單片機(jī)、前向模擬量輸入通道模塊、繼電輸出模塊、上位機(jī)等，組建硬件系統(tǒng)。通過(guò)前幾章搭建出了硬件和軟件系統(tǒng)，本章主要是通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證各種指標(biāo)是否達(dá)到要求，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 溫度是工業(yè)工過(guò)程中的四大參數(shù)之一 ,也是很多生產(chǎn)過(guò)程中都需要測(cè)量和控制的參數(shù)。測(cè)溫時(shí)熱電阻或熱電偶安裝在現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)點(diǎn) ,與控制室內(nèi)的溫度顯示儀表等二次儀表有一定的距離 ,為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確 ,對(duì)熱電阻要考慮消除其導(dǎo)線電阻的影響 ,同時(shí)由于被測(cè)溫度與熱電阻阻值之間存在非線性 ,應(yīng)考慮非線性補(bǔ)償問(wèn)題。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。然而 , 測(cè)量誤差還必須考慮其他環(huán)節(jié)的影響如測(cè)溫元件的長(zhǎng)引線電阻變化對(duì)恒流源的影響 。 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方案 單片機(jī) PID 溫度控制系統(tǒng)分為 MSP430 單片機(jī)初始化，前向模擬量采集， A/D 轉(zhuǎn)換，定時(shí)器中斷，串口通信， PWM 輸出， PID 運(yùn)算等。在異步模式下 USART 通過(guò) URXD、UTXD 這兩個(gè)引腳與外部系統(tǒng)連接 [4]。 定時(shí)器中斷： Timer_A 模塊相關(guān)的中斷向量有以下兩個(gè)； TACCR0 中斷向量，處理 TACCR0 的 CCIFG 中斷標(biāo)志； TAIV 中斷向量，處理所有其他的 CCIFG 和 TAIFG 中斷標(biāo)志； TACCR0的中斷標(biāo)志 CCIFG在 Timer_A中具有最高優(yōu)先級(jí)，并且享有特定的中斷向量，當(dāng) CCIFG 中斷被響應(yīng)以后該位自動(dòng)清零； TACCR1 的 CCIFG、 TACCR2 的 CCIFG 和 TAIFG三個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)依次降低，且它們共用一個(gè)中斷源。波特率的產(chǎn)生是在本地完成的。 3 系統(tǒng)硬件電路的選型及設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型 MSP430 的主要特點(diǎn)有超低功耗；強(qiáng)大的處理能力，單周期指令周期，并且自帶硬件乘法器；高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊；高穩(wěn)定性，方便、高效的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境；溫度適應(yīng)范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)等等 [8]。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。開(kāi)關(guān)電源原理圖如圖 3 所示： 開(kāi)關(guān)電源有功耗小，效率高、轉(zhuǎn)換速度很快、功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到 80%；體積小，重量輕從開(kāi)關(guān)電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器；穩(wěn)壓范圍寬，從開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸 出電壓。 前向模擬通道設(shè)計(jì) 由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。當(dāng)禁止端為“ 1”時(shí)前后級(jí)通道斷開(kāi)，即 S0— S7 端與 Sm 端不可能接通；當(dāng)為“ 0”時(shí)，則通道可以被接通，通過(guò)改變控制輸入端 C、 B、 A 的數(shù)值，就可以選通 8 個(gè)通道 S0— S7 中的一路。管腳分布如圖 5 所示： 圖 5 管腳分布 采樣保持器 當(dāng)某一通道進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。但是 MSP430 不能直接驅(qū)動(dòng)接觸器。用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種 ARM 內(nèi)核、外部設(shè)備甚至中斷的軟件運(yùn)行環(huán)境。= ~XT2OFF。 i 0。//晶振失效標(biāo)志仍然存在？ BCSCTL2 |= SELM_2 + SELS。而不完全微分，因?yàn)槲⒎肿饔梅謳状屋敵?，而每次輸出幅值較小，所以能較好的保存應(yīng)有的微分作用。// 當(dāng)前誤差計(jì)算 Sum_Error += Current_Error。 // 當(dāng)前誤差微分 if(Rate5)//對(duì)誤差變化率進(jìn)行限制 ,鍋爐溫度不可能變化太大 Rate=5。/*積分項(xiàng) */ //積分限幅處理 if( I_OUTPID_I_MAX ) I_OUT = PID_I_MAX。 ( Prev_Error =)) { I_OUT=I_OUT * 。 } //因?yàn)殄仩t只能加溫不能降溫所以一旦超過(guò)設(shè)定值令積分值為零 if( ( Current_Error = 0 ) amp。 PID_OUT = P_OUT + I_OUT + D_OUT 。 } void main() { Device_Init( )。中斷程序必須自己添加處理函數(shù) (根據(jù)實(shí)際使用的通道情況）。 //Use sampling timer, SMCLK for(int i = 0。//每個(gè) MCTL 設(shè)置 } *(char*)(ADC12MCTL0_ + n 1) |= EOS。// Enable return 1。//使能中斷 CCR0=3276。 TBCCR0=16384。 } void TimerB_Duty(u16 duty) { TBCCR1=duty。// Enable USART0 TXD/RXD UCTL0 |= CHAR。 UMCTL0 = 0x4A。// 使能 USART0 的接收中斷 } void PutChar(uchar data) { while (!(IFG1 amp。 } void Newline() { PutChar(0x0d)。) { PutChar(*ptr++)。 基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 16 Temp2=Value*B_para。 Kp 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定， Kp 太小又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，隨著 Kp的增大 ,可以減小穩(wěn)態(tài)誤差但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。在課題研究之前，首先查閱相關(guān)資料信息和請(qǐng)教老師同學(xué)，了解MSP430 單片機(jī)的性能，完成了對(duì)本課題的初步了解，包括對(duì)本課題的設(shè)計(jì)總體思路、各組成部分的功能以及結(jié)構(gòu)，初步確定了課題的方向。 （ 3）調(diào)試系統(tǒng)。 float P_OUT=0,I_OUT=0,D_OUT=0。 /**************************************************************************** * 名 稱： ClkInit * 功 能：時(shí)鐘系統(tǒng)初始化 MCLK 為 8MHz， SMCLK 為 8MHz/1MHz * 入口參數(shù)：無(wú) * 出口參數(shù)：無(wú) ****************************************************************************/ void Clk_Init(void) { unsigned char i。= ~OFIFG。//等待 8MHz 晶體起振 } while ((IFG1 amp。//P Operating_Paramrter[1] = I。//設(shè)定溫度 基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 23 Operating_Paramrter[8] = PID_OUT。 Operating_Paramrter[1] = I。//讀取設(shè)定溫度 Operating_Paramrter[5] = P_OUT。//PID_OUT Operating_Paramrter[9] = AD_Result。 D = Operating_Paramrter[2] 。 SPI_LCD_ShowString( 5,34,D:,0, RED,16 )。 基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 24 } void Parameter_Show( ) { SPI_LCD_Show_Float( 165,6,P,0,RED,16)。 SPI_LCD_Show_Float( 165,62,Set_Temp,0,RED,16)。 } //設(shè)備初始化 void Device_Init(void) { char Channel[1]。 //初始化系統(tǒng)時(shí)鐘函數(shù) UART0_Init( )。 ADC12Start( )。//清屏白色 LED_GPIO_Init( )。//參數(shù)顯示 } /****************************************************** * 函數(shù)名： Scale_Conv * 描述 ：標(biāo)度變換函數(shù) * 輸入 : Converter_Value 轉(zhuǎn)換變量 * 輸出 ： ******************************************************************************/ float Scale_Conv( u16 Value) { float Temp1=0,Temp2=0。 //當(dāng)前溫度 =A*X*X+B*X+C零漂 return (Temp1+Temp2+C_para+Null_shift)。// 誤差積分 Prev_Error = Last_Error。 if(Rate5) ate=5。 if( I_OUTPID_I_MIN ) I_OUT = PID_I_MIN。 } if( (Current_Error = ) amp。amp。 if ( PID_OUT = PWM_DATA_MAX ) PID_OUT = PWM_DATA_MAX。 while(1) { LED8_Rollback。 Counter++。//定于每一秒求平均值即 1000毫秒 (注意 ) Sum_Value=0。//溫度擬合 else Pre_Temp= *(Scale_Conv( AD_Average )) + *Pre_Temp。//占空百分比計(jì)算 Counter=0。具體如下： SREFx Bits 64 Select reference 000 VR+ = AVCC and VR. = AVSS 001 VR+ = VREF+ and VR. = AVSS 010 VR+ = VeREF+ and VR. = AVSS 011 VR+ = VeREF+ and VR. = AVSS 100 VR+ = AVCC and VR. = VREF./ VeREF. 101 VR+ = VREF+ and VR. = VREF./ VeREF. 110 VR+ = VeREF+ and VR. = VREF./ VeREF. 111 VR+ = VeREF+ and VR. = VREF./ VeREF. INCHx Bits 基于 MSP430 單片機(jī)的溫度 PID 算法設(shè)計(jì) 29 30 Input channel select 0000 A0 0001 A1 0010 A2 0011 A3 0100 A4 01