摘要：針對溫箱控制過程中出現(xiàn)的精度低，穩(wěn)定性差等問題，設計了一種基于MSP430F149單片機的高精度溫箱溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用鉑電阻溫度傳感器及12位A／D轉換器實現(xiàn)了溫箱溫度精確測量，并利用低功耗MSP430F149單片機及加熱和降溫系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫箱溫度的精確控制。通過不同溫度下測量實驗，表明溫箱溫度控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。從而在-50～150℃溫度范圍內，溫箱控制精度可以達到±0．5℃。
關鍵詞：MSP430F149；高精度；溫度控制；可控硅

0 前言
    隨著社會的發(fā)展，人們對溫箱的應用和需求越來越廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和科學實驗中，我們隨處都可以看到溫箱的應用。目前，在溫箱的控制過程中還存在一些不足之處，比如控制精度低，穩(wěn)定性比較差等。因此，針對溫箱控制過程中出現(xiàn)的問題，需要設計一個高精度的智能化溫箱控制系統(tǒng)，實時地對溫箱的溫度變化、運行狀況和功能狀態(tài)等進行控制。本文在研究溫度采集發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎上，設計了一種基于微控制器MSP430F149的溫箱控制系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)以單片機MSP430F149為控制核心，采用鉑電阻溫度傳感器，對溫度信號進行測量控制，并實現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字顯示，可通過按鍵對溫度進行目標溫度值的設置，從而使系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場情況，自動啟動壓縮機或者加熱絲，對溫箱的實際溫度實現(xiàn)自動調節(jié)。本系統(tǒng)結構簡單、經(jīng)濟性好、實時性強。通過實驗證明，系統(tǒng)可以達到高精度的溫箱溫度采集，實時地顯示溫箱的溫度，準確及時地控制整個系統(tǒng)運行，并具有體積小巧、安全、穩(wěn)定和可靠等特點，有良好的可擴展性。

1 系統(tǒng)結構框圖及其工作原理
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由溫度傳感器、信號調理電路、A／D轉換器、鍵盤、LED數(shù)碼管、MSP430單片機、電熱絲、隔離·驅動、可控硅、壓縮機12部分組成。本溫箱控制系統(tǒng)采用的主要芯片MCU是單片機MSP430F149。主要的器件有：溫度傳感器鉑電阻芯片、壓縮機、加熱絲和風扇等。

    其工作原理是鉑電阻采集到溫度信號經(jīng)過信號調理電路送到A＼D轉換器進行模數(shù)轉換，得到的數(shù)字信號傳送到單片機的控制中心進行處理判斷，然后由單片機輸出控制信號，經(jīng)過隔離驅動電路控制可控硅，對加熱絲或壓縮機進行控制。

2 系統(tǒng)單元電路設計
    系統(tǒng)的硬件電路主要由溫度采集、溫度控制和溫度顯示三大部分構成。本系統(tǒng)的硬件由單片機MSP430F149、電源電路、溫度采集電路、溫度控制電路、數(shù)碼管顯示電路等構成。
2．1 電源電路設計
    本系統(tǒng)需要使用+5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430F149及部分外圍電器需要+3．3V電源，其它部分需要+5V電源。在本系統(tǒng)中，以+5V直流電壓為輸入電壓，+3．3V由+5V直接線性降壓，其中采用HT7333作為穩(wěn)壓芯片。如圖2所示。

2．2 溫度傳感器采集電路
    PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)制成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù)，其電阻和溫度變化的關系式如下：R=R0(1+aT)，其中a=0．00392，R0為100 Ω(在0℃的電阻值)，T為攝氏溫度。
    PT100溫度傳感器采用四線法的連接方式，有效地消除了引線電阻引起的測量誤差，能夠精確測量未知電阻上的壓降，計算出電阻值。具體連接圖如圖3所示。

    PT100四線法連接電路通常稱為Kelvin電路，對于每個測試點都有一條激勵線F和一條檢測線S，各自構成獨立回路，同時要求檢測線S必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路，使流過檢測線S的電流極小，近似為零。圖中r表示引線和探針與測試點的接觸電阻之和。HF為高電位施加線，LF為低電位施加線，HS為高電位檢測線，LS為低電位檢測線。由于流過測試回路的電流為零，在r3、r4上的電壓降為零，而激勵電流I在r1、r2上的壓降不響I在被測的鉑電阻上的壓降，所以可以準確計算出鉑電阻的阻值。這樣就消除了引線上的電壓，實現(xiàn)高精度的溫度采集。

    單片機MSP430F149的內部具有8路12位精度的模數(shù)轉換器，帶有采樣保持功能，通過模數(shù)采樣讀入端口溫度電壓信號，相應的模數(shù)轉換公式轉化成實際溫度數(shù)值并存儲，然后將溫度數(shù)值發(fā)送到數(shù)碼管顯示出溫度。
2．3 溫度控制
    開始的時候設定好溫箱的目標溫度值。系統(tǒng)開始進行溫度采集，通過外接的鉑電阻獲得。將采集到的溫度和目標溫度進行比較，當采集的溫度低于目標溫度的時候，由控制中心單片機輸出控制信號，通過對加熱絲進行加熱，實現(xiàn)加熱操作；當采集的溫度高于目標溫度的時候，由控制中心單片機輸出控制信號，通過控制壓縮機，實現(xiàn)降溫操作；反復對溫度進行測量，比較，這樣一直持續(xù)，以保證溫箱溫度被控制在恒溫狀態(tài)以下，以此達到溫箱溫度控制的目的。具體的操作步驟如下：
2．3．1 加熱操作
    采集的溫箱溫度與預設的目標溫度進行比較，當所測溫度低于目標溫度的時候，啟動加熱操作。加熱操作的過程為：
    選用的是鐵鉻鋁電熱合金類型的加熱絲，其平均功率是2000W，額定電壓為220V，長度為20cm，由于溫箱的大小為1m3，經(jīng)過計算完成整個溫箱的加熱過程，從-50℃～150℃需要40min，將加熱絲外接在溫度控制器電路中，單片機MSP430F149通過P1．1發(fā)出控制信號，控制可控硅的通斷就可實現(xiàn)加熱絲的工作狀態(tài)，只要改變P1．1的接通時間就能實現(xiàn)加熱功能。由于加熱絲存在熱慣性和時間滯后等特性，為了使控制更加精確，比較溫度之后的差值大小采用不同寬度的脈沖進行控制，這樣來實現(xiàn)加熱絲的加熱操作。為了避免造成局部溫度過高、受熱不均勻，以達到平衡加熱的效果，在加熱絲的側面并聯(lián)一個可控風扇，保證加熱過程的均勻受熱。加熱原理圖如圖5所示。

2．3．2 降溫操作
    采集的溫箱溫度與預設的目標溫度進行比較，當所測溫度高于目標溫度的時候，啟動壓縮機操作。實現(xiàn)降溫操作的過程如下：
    MSP430F149通過控制可控硅對壓縮機進行控制，實現(xiàn)一個控制壓縮機降溫系統(tǒng)，根據(jù)采集溫度與預設目標溫度比較差值的大小來決定壓縮機的制冷強度?？煽毓杩刂茐嚎s機電路的連接圖如圖6所示，微控制器P2．2引腳輸出可控硅控制信號。當可控硅導通時，壓縮機開始工作；否則壓縮機停止工作。

2．4 數(shù)碼管顯示設計
    數(shù)碼管顯示電路也就是數(shù)據(jù)的輸出電路，主要由外接4位數(shù)碼管、數(shù)碼管驅動器、鎖存器以及片選電路組成，MSP430具有豐富的I／O口資源，采用并行方式與LED連接非常方便。數(shù)碼管的段碼a，b，c，d，e，f，g，dp分別與單片機的P2．0～P2．7相連，控制數(shù)碼管中顯示的字形；數(shù)碼管的位選由4個NPN三極管控制，分別接到單片機的P6．3～P6．6端口上，程序中通過控制P6．3～P6．6端口的輸出電平就可以控制數(shù)碼管的顯示與關閉。
    其中LED的片選信號是通過MSP430F149的I／O端口來提供。具體連接圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本文設計的軟件部分主要包括實現(xiàn)溫度的采集、顯示和控制三大部分。

    如圖8所示，當采集溫箱溫度的時候，系統(tǒng)通過驅動程序設置好溫度傳感器的轉化公式來實現(xiàn)對溫度的采集。當采集的溫度低于目標溫度的時候，通過對加熱絲進行加熱，實現(xiàn)加熱操作；當采集的溫度高于目標溫度的時候，通過控制壓縮機，實現(xiàn)降溫操作；并將溫箱的溫度顯示出來，從而使溫箱的溫度達到設定的目標值，實現(xiàn)溫箱溫度控制。
3．1 溫度的采集
    當將要采集溫度數(shù)據(jù)時，MSP430F149將通過溫度傳感器采集溫度，所用到的函數(shù)有：
    (1)函數(shù)名稱：ReadTemp，功能：從溫度傳感器的ScratchPad讀取溫度轉換結果，返回值：讀取的溫度數(shù)值。
    (2)函數(shù)名稱：uint DolConvert(void)，功能：控制溫度傳感器完成一次溫度轉換，返回值：測量的溫度數(shù)值。
3．2 溫箱的溫度控制
    在實現(xiàn)溫度控制的時候根據(jù)PID控制算法，計算出控制量，具體實現(xiàn)過程中所要用到的部分函數(shù)如下：
    char Read_Temperature(void)／／讀取溫度
    void delay(unsigned char time)／／延時時間以12M晶振為準，延時時間為30us×time
    void write_bit(unsigned char bitval)／／寫一位數(shù)據(jù)子程序
    unsigned char read_bit()／／讀一位數(shù)據(jù)子程序
    void get_temper()／／獲取溫度子程序
    unsigned int PIDCalc(struct PID*PP，unsignedint NextPoint)／／PID計算
    compare_temper()／／溫度比較處理子程序
    void display()／／將占空比溫度轉化為單個字符顯示占空比和測得到的溫度
3．3 溫度的顯示
    在溫度的顯示過程中所要用到的函數(shù)有：
    Void WriteCommand(unsigned char wdata)／／向數(shù)碼管寫入命令；
    Void WriteData(unsigned char wdata)／／向數(shù)碼管寫入數(shù)據(jù)；
    顯示溫度的函數(shù)：
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％1 000／100)；／／顯示百位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％100／10)；／／顯示十位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％10)；／／顯示個位；
    WriteDataLcd(0x30+ADC_CH0％1)；／／顯示十分位；

4 結論
    基于單片機MSP430F149的溫箱溫度采集和控制系統(tǒng)是以單片機為核心的軟硬件平臺的嵌入式系統(tǒng)。通過使用單片機、PT100溫度傳感器、數(shù)碼管顯示電路搭建硬件平臺，使用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，C語言編程實現(xiàn)，設計出了一個基于嵌入式技術的溫箱溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)體積小巧，電路連接簡單，擴展性良好，可以方便地進行后續(xù)開發(fā)，增加用戶所需功能。從而提高了設備的智能化程度，具有較高的工程實用價值。