小王同学基于MSP430的恒温自动控制系统

内容介绍

2023寒假一起练平台（4）- 小王同学基于MSP430的恒温自动控制系统

本次选择的是项目4 - 实现一个恒温自动控制系统：

IO扩展板上有一处加温电阻，将加热区域用物体(纸巾等)包裹起来，通过电流给电阻加热，并通过温度传感器感知板上温度的变化，测温以及在LCD屏上的温度显示。

一、开发版介绍

1、MSP430F5529：

MSP-EXP430F5529LP是一款针对MSP430F5529 USB微控制器的廉价而简单的开发套件。它为MSP430 MCU提供了一种简单的方法，具有用于编程和调试的板载仿真，以及用于简单用户界面的按钮和LED。

FqDKZS7tSDk02vvfs6-ruEvOL7GQ

2、主要参数特性：

支持 USB 2.0 的 MSP430F5529 16 位微控制器
高达 25 MHz
128KB 闪存和 8KB 内存
12 位 SAR 模数转换器
提供各种 USB 设备类示例和嵌入式软件库（CDC、HID、MSC）
eZ-FET lite：带应用程序 UART 的开源板载调试器
通过使用板载 USB 集线器，为仿真器和目标提供 USB 连接
USB 作为电源：5V 和 3.3V 通过高效 DC/DC 转换器
40 针 LaunchPad 标准，利用 BoosterPack 生态系统

4、输入、输出扩展板介绍：

本扩展板包含如下功能：

按键、旋转编码器输入 - 以模拟信号的方式
双电位计控制输入 - 以数字信号的方式
RGB三色LED显示
1.44寸128*128 LCD，SPI总线访问
MMA7660三轴姿态传感器
电阻加热
温度传感器
与MSP430 Launch Pad开发板的接口

Fnc4RDCc6PM5ohGntlk3Y2jpVxwE

二、设计思路

正如扩展板的原理图所示的加热-->控温：首先控制MOS管导通，使得电阻流过电流产生热量，进而使电路板升温，再使用温度传感器将温度值读出，根据当前的温度值不断地进行反馈控制MOS管通断，使电路板温度保持在设定值范围。

在MSP430的扩展板上，电阻最大加热功率P=U²/R = 5*5/(68//68//68//68) ≈ 1.47W

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根据如上所示的设计思路，结合msp430芯片特性，绘制出大体上的软件流程：

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三、开发环境准备

1.Platform IO with Visual Studio Code，用于编写代码及下载程序。

2.ComAssistant，用于串口调试

四、项目任务的代码实现

本次项目使用Arduino框架开发，Arduino上手容易，简单快捷。

综合项目的要求，首先确定项目的具体实现需求：

1.读取温度传感器

2.驱动屏幕进行显示

3.产生PWM波形驱动MOS管导通，通过电流给电阻加热

4.使用编码器/按键进行温度的设置

首先是温度传感器，型号为NST112-DSTR，这是一款超小封装的高精度低功耗温度传感器，通过I2C接口数字进行访问以获取温度。该传感器的用法也较为简单，只需配置两个寄存器即可。

#include "Arduino.h"
#include "Wire.h"//IIC库

#define NST112_ADDRESS 0x48     //温度传感器地址
#define GET_ADDR 0X00//读寄存器
#define SET_ADDR 0X01//写寄存器
#define VAL_BASE 0.0625//基准读数
#define NUM_BIT 12//数据位数
#define CFG_CMD_0 0b01100000//数据高
#define CFG_CMD_1 0b11100000//数据低//8HZ


void NST112_Init()
{
    Wire.begin();//默认引脚加入

    Wire.beginTransmission(NST112_ADDRESS);
    Wire.write(SET_ADDR);//进入设置寄存器
    Wire.write(CFG_CMD_0);//写寄存器1
    Wire.write(CFG_CMD_1 | (NUM_BIT==13?(1<<4):0));//写寄存器2
    Wire.endTransmission();//结束
}

float NST112_Read()
{
    byte MSB;
    byte LSB;
    uint16_t value;
    float temp;

        Wire.beginTransmission(NST112_ADDRESS);
    Wire.write(GET_ADDR);//进入温度寄存器
    Wire.endTransmission();//结束
    Wire.requestFrom(NST112_ADDRESS,2);
    while(Wire.available())
    {
        MSB = Wire.read();
        LSB = Wire.read();

        value = ((MSB<<8)|LSB) >>(NUM_BIT==13?3:4);
        temp = ((float)value)*VAL_BASE;
    }
    return temp ;
}

屏幕的驱动IC是ST7735，1.44寸128*128分辨率，使用SPI接口驱动屏幕进行显示，为了方便，选用了Ucglib驱动库，在屏幕上显示出设定温度、当前温度、PWM占空比及加热状态。这样可以更为直观的看到温度的变化。

    ucg.setColor(0, 0, 0);
    ucg.drawBox(50, 32, 60, 80);
    ucg.setColor(255, 0, 0);

    ucg.setPrintPos(50, 105);
    ucg.print("Off");

    ucg.setPrintPos(50, 105);
    ucg.print("Ok");

    ucg.setPrintPos(50, 105);
    ucg.print("On");

    ucg.setPrintPos(50, 45);
    ucg.print(Temp_target);

    ucg.setPrintPos(50, 65);
    ucg.print(Temp_now);

    ucg.setPrintPos(50, 85);
    ucg.print(Temp_OUT_PWM);

产生PWM波形则使用的是MSP430微控制器芯片的定时器功能，产生 PWM 信号用于其他设备的控制。在Arduino使用起来也是非常方便的。只需要确定输出引脚及占空比数值，使用analogWrite()函数即可。

pinMode(PWM_Pin, OUTPUT);
analogWrite(PWM_Pin, (uint16_t)Temp_OUT_PWM);

当PWM波形为高电平时，驱动MOS管开启，此时电阻流过电流开始发热，当PWM波形为低电平时，驱动MOS管关闭，此时电阻没有电流不发热。这样，通过控制PWM波形的占空比，就可以控制电阻的平均功率，进而控制发热温度。

在这个过程中，使用经久不衰的PID算法，计算出在设定温度下，相应的PWM波形占空比，并且随着实际温度自动进行调整，最终使其达到设定的温度。

在PID算法中，还采用了积分分离的方式，防止温度超调，但是在最终的测试中，由于温控系统惯性环节较大，仅使用PD两项的系数就能达到较好的目标。

//单闭环位置PID//pid结构—目标-实际
float SinglePID_Position(Position_PID *pid, float Target, float Measure)
{
    float Err; //误差
    if (pid == NULL)
    {
        // SerialBT.println("pid is NULL");
        return 0.0;
    }
    Err = Target - Measure; //目标值减实际值
    /* 积分分离 */
    if (abs(Err) > (pid->Integraldead_zone)) //积分绝对值大于 积分盲区
    {
        pid->index = 0; //积分指数赋值0
    }
    else
    {
        pid->index = 1; //积分指数赋值1
    }
    pid->Output = pid->Kp * Err + pid->Kd * (Err - pid->Last_Err); //pd输出
    pid->Integral += pid->Ki * Err * pid->index; //积分累加
    constrain(pid->Output, pid->OutputMin, pid->OutputMax);
    pid->Integral = constrain(pid->Integral, pid->I_outputMin, pid->I_outputMax); ////积分限幅
    pid->Output += pid->Integral;                                         //pid完整的输出
    pid->Output = constrain(pid->Output, pid->OutputMin, pid->OutputMax); ////输出限幅
    pid->Last_Err = Err; //保存上一次控制量
    return pid->Output;  //返回pid控制量
}

在该套控制系统中，由于温度传感器自动更新的频率为8Hz，为保证系统的一致性，所以PID程序的执行频率也应为8Hz，因此编写一个简易的定时任务，每隔125ms运行一次即可，包含温度读取，PID计算，更新占空比，刷新屏幕显示。

  if ((millis() > Time_timeout) || (Time_timeout < 125))
  {
    Temp_now = NST112_Read();

    Temp_OUT_PWM += SinglePID_Position(&Position_PID_Temp, Temp_target, Temp_now);
    Temp_OUT_PWM = constrain(Temp_OUT_PWM, 0, 255);
    ucg.setColor(0, 0, 0);
    ucg.drawBox(50, 32, 60, 80);
    ucg.setColor(255, 0, 0);

    // ucg.setColor(1, 255, 0, 0);

    if (Heating == 0)
    {
      Temp_OUT_PWM = 0;
      digitalWrite(LED_R_Pin, 1);
      ucg.setPrintPos(50, 105);
      ucg.print("Off");
    }
    else
    {
      // ledcWrite(ledChannel, (uint32_t)Temp_OUT_PWM);


      if (abs(Temp_now - Temp_target) < 1.0F)
      {
        digitalWrite(LED_R_Pin, 0);
        ucg.setPrintPos(50, 105);
        ucg.print("Ok");
      }
      else
      {
        digitalWrite(LED_R_Pin, 1);
        ucg.setPrintPos(50, 105);
        ucg.print("On");
      }
    }
      analogWrite(PWM_Pin, (uint16_t)Temp_OUT_PWM);

    ucg.setPrintPos(50, 45);
    ucg.print(Temp_target);

    ucg.setPrintPos(50, 65);
    ucg.print(Temp_now);
    ucg.setPrintPos(50, 85);
    ucg.print(Temp_OUT_PWM);

    Time_timeout = millis() + Temp_Timeout; //加上下一次的刷新毫秒输

    Serial.print("{T}"); //当前温度
    Serial.println(Temp_now);
    Serial.print("{Tt}"); //目标温度
    Serial.println(Temp_target);
    Serial.print("{PWM}"); //当前PWM值
    Serial.println(Temp_OUT_PWM);
  }

最后是编码器、按键的部分，由于扩展板电路设计比较奇特，按键和编码器使用的是电阻网络分压的方案，因此使用ADC读取相应引脚的数值，即可判断出是某个按键按下，但是编码器比较特殊，硬件电路将编码器的AB相及中央按键均接入了该电阻网络，单次的读取并不能体现是否旋转，需要高频率地进行ADC采样，根据结果进行判断正/反转

下图为采样频率200Hz的ADC采集数据。

图1为顺时针旋转，图2为逆时针旋转，图三分别为编码器中央按键、普通按键上、普通按键下

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FhHGprONVZnGkw0UqoM_L7DvfdPw

FiQ_lgjvC01HWNfTDzBG8GqedUcI

可以看出来编码器在进行不同方向的旋转时，ADC检测到的电压台阶顺序是不一样的，因此根据这个顺序，在符合电压最低处时判断上一台阶的电压值，即可分析出是哪个方向的旋转。

事先使用手动方式测量出各个操作ADC的测量值，再根据此值判断即可

//ADC的几个测量值，对应无操作、编码器旋转（3个）、编码器按键按下、普通按键上、普通按键下按下。
uint16_t ADC_Val[7] = {3965, 3833, 3580, 3710, 3450, 2942, 1910};
#define ADC_error 50 //ADC的上下范围
//得到按键的值
void key_scan()
{
  ADC0 = analogRead(ADC_Pin);
  // Serial.print(millis());
  Serial.print("{A}");
  Serial.println(ADC0);
  //     Serial.print("{K}");
  // Serial.println(key_msg.id);
  if ((ADC0 > (ADC_Val[0] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[0] + ADC_error))) //未按下
  {
    for (uint8_t i = 0; i < (sizeof(key) / sizeof(KEY)); ++i)
    {
      key[i].val = 1;
    }
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[1] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[1] + ADC_error))) //旋转1
  {
    key[0].val = 0;
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[2] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[2] + ADC_error))) //旋转2
  {
    key[1].val = 0;
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[3] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[3] + ADC_error))) //旋转3
  {
    key[2].val = 0;
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[4] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[4] + ADC_error))) //编码器按键
  {
    key[3].val = 0;
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[5] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[5] + ADC_error))) //普通按键1
  {
    key[4].val = 0;
  }
  else if ((ADC0 > (ADC_Val[6] - ADC_error)) && (ADC0 < (ADC_Val[6] + ADC_error))) //普通按键1
  {
    key[5].val = 0;
  }
  else
  {
  }
  for (uint8_t i = 0; i < (sizeof(key) / sizeof(KEY)); ++i) //变更状态
  {
    if (key[i].last_val != key[i].val) //发生改变
    {
      key[i].last_val = key[i].val; //更新状态
      if (key[i].val == LOW)
      {
        key_msg.id = i;
        // key_msg.pressed = true;
      }
    }
  }
  if ((key_msg.id == 0) || (key_msg.id == 1) || (key_msg.id == 2))
  {
    if ((key_msg.id == 1)) //转到中间1的时候,判断上一次的值
    {
      switch (Encoder_Val_last)
      {
      case 0: //右转
        Encoder_Direction = 1;
        Temp_target += Add_Val;
        break;
      case 2: //左转
        Encoder_Direction = 0;
        Temp_target -= Add_Val;

        break;
      default:
        break;
      }
    }
    Encoder_Val_last = key_msg.id;
    key_msg.id = (-1);
  }
}

void KEY_update()
{
    if (key_msg.id != (-1))
    {
        if ((key_msg.id == 0) || (key_msg.id == 1) || (key_msg.id == 2))
        {
            if ((key_msg.id == 1)) //转到中间1的时候,判断上一次的值
            {
                switch (Encoder_Val_last)
                {
                case 0: //右转
                    Encoder_Direction = 1;
                    // Temp_target += Add_Val;
                    break;
                case 2: //左转
                    Encoder_Direction = -1;
                    // Temp_target -= Add_Val;

                    break;
                default:
                    break;
                }
            }
        }
        else if (key_msg.id == 3) //编码器按键
        {
            KEY_Encoder = false;
        }
        else if (key_msg.id == 4) //上按键
        {
            KEY_Key1 = false; //被按下为0
        }
        else if (key_msg.id == 5) //下按键
        {
            KEY_Key2 = false; //被按下为0
        }
        Encoder_Val_last = key_msg.id;
        key_msg.id = (-1);
    }
}

五、功能展示

按下编码器中央按键时，切换开启/关闭加热，按下普通按键上时，切换需要设置的温度位数（10、1、0.1），顺时针旋转编码器增加设定值，逆时针旋转编码器减少设定值。

当温度达到设定温度的±1℃时（原先要求的是±3℃，这里稍微提高了一下控制精度），亮起红灯，并在屏幕上显示“OK”字样。

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六、遇到的主要难题及解决方法

感觉该项目的主要难点就在编码器/按键方面，通过ADC读值的方式确定按键的状态，这样的好处也很明显，就是只用一个GPIO的端口即可完成多个按键的读取再有就是关于PID的部分，但是缺点就是需要高频率地使用ADC去读取模拟电压值，消耗时间，再加上MSP430微控制器本身频率就不高，还要进行彩屏的驱动。在寻找屏幕可用的驱动库时发现，由于MSP430的Arduino程序，与其他的互联网上大部分库均不能兼容，可能是由于编译器的版本问题，而且找到的这个库也不是很完善，屏幕右侧会出现两列花屏，在翻看了库中的代码后，也没有找到设置偏移是在哪里。最后由于温控系统的大惯性环节，当PWM占空比升高后，温度上升并没有那么迅速，因此PID中的微分系数需要比较大，才能使得系统稳定，且使用analogWrite()函数，占空比只能为8位（0-255），对温控的精确度方面有着不小的阻碍。

七、后续完善计划

作为一个基本能够使用的恒温自动控制系统，已基本满足要求，但是还是有许多不足之处可以完善，比如在界面不够精美，按键交互不太完善，抗干扰性能不强等，由于时间关系暂未解决，后续的话有时间再抽空完善一下，这样总体的感觉也会提升。

八、参考资料

1.Arduino https://www.arduino.cc/

2.Energia https://energia.nu/

2.PlatformIO https://platformio.org/

3.MSP430F5529 https://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F5529?

4.高精度、低功耗数字温度传感器NST112 https://www.novosns.com/news-center-57

5.积分分离PID控制算法https://blog.csdn.net/songyulong8888/article/details/117389191