【文章內(nèi)容簡介】 T3U17805GND1IN P U T2O U T P U T3U27905470uF , 16VC2470uF , 16VC10GND12V12V1 2P1H e a de r 212P6H e a de r 2R321KD 20D IP L E DGNDR331KD 21D IP L E DGND5V12P2H e a de r 1112P4H e a de r 1212P5H e a de r 135V 圖 3 開關電源原理圖 開關電源模塊設計 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 7 電源電路是整個系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。因此電源管理 越發(fā)顯得重要。 電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源電路設計主要考慮用哪種類型的電源器件，輸入輸出電壓，輸出電流以及控制狀態(tài)。開關電源原理圖如圖 3 所示： 開關電源有功耗小，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，其效率可達到 80%；體積小，重量輕從開關電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器；穩(wěn)壓范圍寬，從開關電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸 出電壓。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關電源； 濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。所以智能儀表的供電選擇開關電源來供電。 前向模擬通道設計 由于計算機的工作速度遠遠快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關實現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。本設計 采用 CD4051，結(jié)構原理圖如下圖所示。 CD4051 由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關電路三部分組成。當禁止端為“ 1”時前后級通道斷開，即 S0— S7 端與 Sm 端不可能接通；當為“ 0”時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端 C、 B、 A 的數(shù)值，就可以選通 8 個通道 S0— S7 中的一路。模擬量采樣通道流程圖如圖 4 所示： 圖 4 模擬量采樣通道流程圖 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 8 前置放大器 前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到 A/D 轉(zhuǎn)換的的量程范圍之內(nèi)；對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端同向放大或單端反向放大， OP07 芯片是一 種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于 OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以 OP07 在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。 OP07 同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。管腳分布如圖 5 所示： 圖 5 管腳分布 采樣保持器 當某一通道進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證 A/D 轉(zhuǎn)換的精度，需要應用采樣保持器，在 A/D通道中 ，采樣保持器的采樣和保持電平應與后級的 A/D 轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由 A/D 轉(zhuǎn)換器直接提供?？傊?，保持器在采樣期間，不啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器，而一旦進入保持期間，則立即啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而保證 A/D 轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保 A/D 轉(zhuǎn)換精度。 輸出驅(qū)動模塊設計 鍋爐的溫度控制需要 PWM波控制接觸器的開斷來控制加熱，實現(xiàn)達到設定值的目的。但是 MSP430 不能直接驅(qū)動接觸器。所以用 MSP430 驅(qū)動繼電器，通過控制繼電器的開關，再用繼電器控制接觸器的開關，實現(xiàn)溫度控制。 4 系統(tǒng)軟件設計 軟件開發(fā)平臺 IAR Embedded Workbench 軟件界面如圖 7 所示： 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 9 圖 7 IAR Embedded Workbench 軟件界面 IAR Embedded Workbench 是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境 (下面簡稱 IAR EW),支持 ARM、 AVR、 MPS430 等芯片內(nèi)核平臺。 EWARM 中包含一個全軟件的模擬程序 (simulator)。用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種 ARM 內(nèi)核、外部設備甚至中斷的軟件運行環(huán)境。從中可以了 解和評估 IAR EWARM 的功能和使用方法 [9]。 IAR EWARM 的主要特點如下： 高度優(yōu)化的 IAR ARM C/C++ Compiler IAR ARM Assembler 一個通用的 IAR XLINK Linker IAR XAR 和 XLIB 建庫程序和 IAR DLIB C/C++運行庫 功能強大的編輯器 項目管理器 命令行實用程序 IAR CSPY 調(diào)試器 (先進的高級語言調(diào)試器） 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 10 溫度控制程序設計 程序流程圖如圖 8 所示： 圖 8 程序流程圖 單片機將模擬量前向通道采集的模擬量數(shù)據(jù)進行 A/D 轉(zhuǎn)換，進入 ADC 模塊中斷轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用 Modbus 通訊協(xié)議采用異步通訊的方式與上位機實現(xiàn)通訊，將當前溫度反映到組態(tài)界面中，并通過比較當前溫度與設定溫度之間的關系進行 PID 運算，之后通過設定定時器 A 和定時器 B 輸出 PWM 波實現(xiàn)控制功能 [10]。 主程序 MSP430 單片機內(nèi)部分三種時鐘信號即低速晶體振蕩器、高速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器，高速晶體振蕩器是用來進行快速大量的數(shù)據(jù)計算和快速的外部時間響應的，為基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 11 滿足設計要求 [11]， 本設計使用高速晶體振蕩器，程序如下： BCSCTL1 amp。= ~XT2OFF。//打開 XT2 高頻晶體振蕩 do { IFG1 amp。= ~OFIFG。//清除晶振失敗標志 for (i = 0xFF。 i 0。 i)。//等待 8MHz 晶體起振 } while ((IFG1 amp。 OFIFG))。//晶振失效標志仍然存在？ BCSCTL2 |= SELM_2 + SELS。//MCLK 和 SMCLK 選擇高頻晶振 PID 算法程序 本 PID 算法程序采用位置式控制算式，由于在測試 過程中發(fā)現(xiàn)溫度曲線波動較大且出現(xiàn)毛刺，所以在原有的完全微分的基礎上改進為不完全微分，因為完全微分 PID 是一次微分作用，而不完全微分 PID 是分幾次輸出微分作用。微分是一種重要的控制作用，可以較明顯的改善閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。假如偏差的階躍幅值較大，在完全微分時，一次輸出的微分作用幅值會很大，很可能會因輸出限幅而喪失應有的微分作用。而不完全微分，因為微分作用分幾次輸出，而每次輸出幅值較小，所以能較好的保存應有的微分作用。在開停工或大幅度升降設定值時，由于偏差累計較大，故在積分項的作用下會產(chǎn)生一個很大的超調(diào)，并產(chǎn)生 振蕩，特別是對于溫度、液面等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴重。為了改進控制性能可采用積分分離的方法，即在受控變量開始跟蹤時，取消積分作用，偏差小于某一設定值時，才產(chǎn)生積分作用，程序如下： void PIDCalc(void) { float Rate。//誤差變化率 Current_Error = Set_Temp Pre_Temp 。// 當前誤差計算 Sum_Error += Current_Error。// 誤差積分 Prev_Error = Last_Error。// 存儲誤差更新 Last_Error = Current_Error。// 存儲誤差更新 Rate = ( Current_Error Last_Error )*1000/ Ctrl_Period。 // 當前誤差微分 if(Rate5)//對誤差變化率進行限制 ,鍋爐溫度不可能變化太大 Rate=5。 if(Rate5) Rate=5。 P_OUT = P * Gain * Current_Error 。 /*比例項 */ 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 12 I_OUT = I * Gain * Sum_Error 。/*積分項 */ //積分限幅處理 if( I_OUTPID_I_MAX ) I_OUT = PID_I_MAX。 if( I_OUTPID_I_MIN ) I_OUT = PID_I_MIN。 if( ( Current_Error = ) amp。amp。 ( Prev_Error =)) { I_OUT=I_OUT * 。 } if( (Current_Error = ) amp。amp。 ( Last_Error =55)) { I_OUT=I_OUT * 。 } //因為鍋爐只能加溫不能降溫所以一旦超過設定值令積分值為零 if( ( Current_Error = 0 ) amp。amp。 ( Last_Error =0 )) { I_OUT=0。 } //微分延遲輸出處理 D_OUT= ( D_OUT * Sdde_Para + D * Rate * (1Sdde_Para) )*Gain 。 PID_OUT = P_OUT + I_OUT + D_OUT 。 if ( PID_OUT = PWM_DATA_MAX ) PID_OUT = PWM_DATA_MAX。 if ( PID_OUT = PWM_DATA_MIN ) PID_OUT = PWM_DATA_MIN。 if( Set_Temp Pre_Temp =10) PID_OUT=16383。 } void main() { Device_Init( )。 while(1) { LED8_Rollback。//系統(tǒng)運行指示燈 Parameter_Show( )。 } } 基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 13 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序 該段程序首先完成 ADC12 模塊的通用程序框架， ADC12 模塊的初始化函數(shù)，僅僅實現(xiàn)了多通道的單次和多次轉(zhuǎn)換，單通道的可以用參數(shù) ,多通道模式下設置一個通道 .ADC12 啟動轉(zhuǎn)換函數(shù)完成啟動 ADC12，開始 A/D 轉(zhuǎn)換。中斷程序必須自己添加處理函數(shù) (根據(jù)實際使用的通道情況）。這里選用的時鐘 SMCLK，參考電壓內(nèi)部打開的是 ，每次當多個通道轉(zhuǎn)換完成后，打開中斷時，單片機會自動調(diào)用本函數(shù)，使用時需要自己添加處理邏輯 [12]，程序如下： char ADC12Init(char n,char channels[],char rep) { if(n15) return 0。 ADC12CTL0 = ADC12ON + MSC + SHT0_0 + REFON + REF2_5V。 // 開啟 ad,參考電壓 ADC12CTL1 = SHP + ADC12SSEL_3。 //Use sampling timer, SMCLK for(int i = 0。i n。i++) { if(channels[i] = 0x80) return 0。 *(char*)(ADC12MCTL0_ + i) = channels[i]。//每個 MCTL 設置 } *(char*)(ADC12MCTL0_ + n 1) |= EOS。//序列結(jié)束 if(rep != 0)//多次轉(zhuǎn)換 { ADC12CTL1 |= CONSEQ_3。 } else { ADC12CTL1 |= CONSEQ_1。 } ADC12IE = 1(n1)。// Enable return 1。 } 定時器設置程 序 設定定時器 A控制寄存器使能中斷，設置 CCR0 初值 ,及 100 毫秒中斷一次，計數(shù)器基于 MSP430 單片機的溫度 PID 算法設計 14 計數(shù)設置為加模式初始化定時器 B，函數(shù)設置 PWM 中斷周期， PWM 低電平時間，設置 PWMIO口和 PWM 低電平時間。 void TA_Init(void) { TACTL=TASSEL0+TACLR。//設定定時器 A 控制寄存器 CCTL0=CCIE。//使能中斷 CC