温度与流量联动控制系统.docx

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温度与流量联动控制系统

第十二届“挑战杯”辽宁省大学生课外

学术科技作品竞赛

温度与流量联动控制系统

1作品摘要1

1.1使用说明1

1.2技术特点1

1.3使用范围2

2作品中使用到的器件2

2.1MSP430单片机2

2.2温度传感器DS18B205

2.3LCD1602液晶显示器6

2.4步进电机及驱动模块TB65607

3作品需要改善的地方8

1作品摘要

1.1使用说明

我们制作的温度与流量联动控制系统主要是为了达到生物燃料的节能减排，在一定的温度范围内,根据生物燃料的燃烧程度，来控制空气流量的变化，从而达到控制温度的目的。

本系统设计的基本思路如下：

通过DS18B20温度传感器感应到的温度反馈给单片机，然后，单片机控制步进电机带动烟囱内的挡板流量计。

当温度T≤16℃时，挡板处于与烟囱平行的位置燃煤充分燃烧；当16℃＜T＜22℃时温度每升高0.5℃挡板正转7.5°燃煤燃烧的充分程度降低，每降低0.5℃挡板反转7.5°燃煤燃烧的充分程度升高；当T≥22℃时挡板与烟囱垂直燃煤最不充分燃烧。

当单片机断电后再通电时挡板旋转至初始化位置，然后再根据温度做出调整。

值得注意的是，我们设定的温度范围是可以通过单片机的程序来设定的，因此可以在不同的温度环境下使用。

1.2技术特点

1）我们采用的是温度与流量联动的控制方式，该方式简单有效地解决了温度与流量的矛盾关系。

一般来讲，温度高就需要多烧燃料，而多烧燃料势必会造成对环境的破坏。

本系统采用烟气流量控制，使燃料在点火—>半燃烧—>充分燃烧的过程中，可以通过温度需要加以控制，达到节省燃料的目的。

2）本系统比手动脉冲控制的单一流量控制先进，节能效果明显，系统采用的温度传感器为数字传感器，结构简单稳定。

3）本系统采用的是低功耗单片机，对供电电源的要求更低，因此也更加的节能。

1.3使用范围

本系统使用的传感器能够测量的温度范围是-55℃--125℃，因此能够广泛使用在使用生物燃料的供热系统中，比如可以使用在供暖中心。

2作品中使用到的器件

2.1MSP430单片机

这一款单片机是TI公司生产的众多Msp430系列单片机中的一款。

内核结构如下：

采用RISC精简指令集，存储结构属于哈佛结构，16位字长。

即集成了数字电路，也集成了模拟电路。

它的特点如下：

1）处理能力强

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

2）运算速度快

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

3）超低功耗

MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：

基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26ORDT-38[3]，也可以使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

4）片内资源丰富

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（TimerA和TimerB）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

另外，MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

5）方便高效的开发环境

MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后，可烧写的掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦除的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C语言。

2.2温度传感器DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

性能描述:

1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

2）测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

3）支持多个地点组网的功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

4）工作电源:

3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）

5）在使用中不需要任何外围元件

6）测量结果以9~12位数字方式串行传送

7）不锈钢保护管直径Φ6

8）适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

9）标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选

10）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

2.3LCD1602液晶显示器

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

2.4步进电机及驱动模块TB6560

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

TB65660是2相混合式步进电机驱动芯片，内置双全桥MOSFET驱动，温度保护及过流保护耐压，外围电路简单。

它的优势在于：

电机振动小，噪声低，可选2,8,16细分，适用于每分钟从几转到几千转的要求，驱动的发热量小，提供多档电流设置以及电流衰减模式，因此，适用于各种步进电机。

与其它高集成度的驱动相比，在相同的高转速下，力矩不但不会减小，反而相应的会适度增加。

3作品需要改善的地方

虽然我们的模型已经成功地制作了出来，但是由于时间上面的限制，在制作的过程中发现还有许多需要改善的地方。

1）步进电机的对于温度的响应速度较慢

一般来说，单片机的处理速度是比较快的，但是为了达到对于旋转角度的精确控制，步进电机对于温度的响应是比较缓慢的，在视频中我们可以看到，在步进电机旋转完成之后，温度传感器才开始进行测量。

这一点是需要我们继续改善的。

2）步进电机在静止后会产生噪声

当温度不发生变化的时候步进电机处于静止的状态，此时我们会听到步进电机发生的噪声，我们认为是由于在步进电机停止之后，电流发生了变化才引起了噪声，我们需要找到最适合步进电机旋转的电流值，同时我们还需要找到一种方法来控制电机停止之后的电流。