調(diào)溫設(shè)備如冰箱、冰柜、空調(diào)已廣泛地走進大眾家庭，這些設(shè)備帶給了人們更多的舒適，人們也越來越依賴它們。為此，我們小組搭建了一個溫度自動控制系統(tǒng)，模擬調(diào)溫設(shè)備在日常生活中的運作，深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。
　　1 系統(tǒng)組成
　　本系統(tǒng)以MSP430系統(tǒng)板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調(diào)溫、人機交互等模塊。其采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件，在通用定時器B周期中斷的控制下，低功耗單片機MSP430F449通過其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進行加熱或制冷，輸出的PWM波驅(qū)動功率MOSFET IRF540，從而達(dá)到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
　　
　　2 MSP430F449簡介
　　MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，同時集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點：16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時鐘能夠降低功耗，多總線能夠降低噪聲；16位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更有效。它的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語言開發(fā)平臺。
　　MSP430F449的定時器A和定時器B都可以實現(xiàn)PWM：當(dāng)定時器工作在PWM波產(chǎn)生模式，就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用另外寄存器控制占空比，生成PWM波方便。并且片內(nèi)集成段式液晶驅(qū)動模塊，便于顯示溫度值。
　　3 PID控制算法原理
　　3．1 PID控制系統(tǒng)筒介
　　PID控制系統(tǒng)如圖2所示，D（s）完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y（t）和給定量r（t）之間的誤差的時間函數(shù)e（t）=r（t）-y（t）的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u（t），稱為比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differ-entiation）控制，簡稱PID控制。
　　
　　PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律，通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來實現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：
　　
　　實際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例（P）控制器、比例+積分（PI）控制器、比例+積分+微分（PID）控制器3種不同控制組合。
　　3．2 PID參數(shù)控制效果分析
　　PID控制的3基本參數(shù)為KP、KI、KD，這3項參數(shù)的實際控制作用為：
　　比例碉節(jié)參數(shù)（KP） 按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大KP，系統(tǒng)的反應(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會加多、調(diào)節(jié)時間加長。在該反饋環(huán)中，該值主要影響速度。
　　積分調(diào)節(jié)參數(shù)（KI） 消除系統(tǒng)靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。
　　微分調(diào)節(jié)參數(shù)（KD） 反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，可以預(yù)見偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)劇烈震蕩，對抗干擾不利。
　　常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中，對積分參數(shù)做了分段處理，已達(dá)到理想的效果。
　　4 溫控裝置及原理
　　DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55～+125℃，測量范圍廣。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨宰，精度為0．0625 ℃，分辨率高。支持3～5.5 V的電壓范圍。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。并且只需占用一根微控制器的I／O口，節(jié)省I／O口。本系統(tǒng)選用PR-35封裝。
　　控制電路選擇VDD供電方式，即VDD接+5 V，GND接地，I／O接單片機I／O。
　　DS18B20的主要部件：64位激光ROM，溫度傳感器，非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高度暫存器。
　　4．1 單線總線訪問DS18B20的協(xié)議
　　DS18B20需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都由總線控制器發(fā)出。
　　4．1．1 初始化
　　通過單線總線的所有執(zhí)行都從一個初始化序列（一個由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后由從機發(fā)出的存在脈沖）開始。之后存在脈沖讓總線控制器知道DS18B20在總線上且已做準(zhǔn)備好操作。
　　4．1．2 ROM操作命令
　　一旦總線控制器檢測到一個存在脈沖，它就可以發(fā)出5個ROM命令中的任一個：Read ROM，Match ROM，Skip ROM，Search ROM，Alarm Search。
　　由于只用到一個DS18B20，所以選擇Skip ROM跳過指令，無需進行地址序列號的檢查，可以加大軟件運行速度。