SV-NET CONTROLLERC 言語モーションコントローラは、SV-NET コントローラ（以降コントローラと記載）と専用プログラミングツールMotion Designer
ワンチップマイコンを用いた温度コントローラの開発と冷却...
12
ワンチップマイコンを用いた温度コントローラの開発と冷却駆動実験 2009 年 2 月 20 日 市川隆 ( 東北大理 ) 1. はじめに 南極の極寒環境において通常の電子機器・電気機器は動作しない。電子部品を厳選すること でマイナス 40 ℃でも運用可能な装置の開発も一部可能であるが、一般的にマイナス 10 ℃程度 が限界であろう。従って、真空断熱材を用いた保温性の高い温蔵庫の中に入れ( 「真空断熱材 BOX 実験」村田 ) 、自己発熱を利用した保温が有効と考えられる。しかしその場合にも温度が 下がり過ぎないように、また上がりすぎないように温度コントロールが必要である。市販の温 度コントローラは高価であり、しかも南極の環境下での動作は保証されない。また本目的には 市販温度コントローラにあるような多機能は必要としない。そこでワンチップマイコンを用い たマイナス 40 ℃でも動作可能な温度コントローラを開発した。 2. マイコンによる制御システム Texas Instruments 社のミックスド・シグナル・マイコロプロセッサ MSP430F4270 は、 32KB+256B フラッシュメモリ、 256BRAM、 16 ビットタイマ、 4 チャンネル並列の 16 ビッ ト A/D コンバータ、 12 ビット D/A コンバータ 、 32 個の I/O 端子、 LCD ディスプレイ・ ドライバを搭載した 16 ビット汎用マイコンである ( トランジスタ技術 2007 年 1 月号に特集あ り ) 。しかも 1 個 1200 円と安価である。 4K バントまでのプログラムならば、無償で開発プラ ットホーム ( IAR Embedded Workbench) が使え、 C 言語で開発ができる。 ( このマイコンを用 いた周期誤差補正回路については「周期誤差補正回路」 ( 市川 ) 参照 ) 。図 1 に今回開発した温度 コントローラのシステムの構成を示す。 A/D コンバータを 2 つ用いて Pt 温度センサーからの 入力を 2 チャンネル用意した。片方をモニター用、もう片方をコントロール用として使用する。 温度差に比例する電流を出力するトランジスタを D/A コンバータに接続する。温度が上がりす ぎた場合に備えて、冷却のために外気を取り込むファンを駆動するリレーを I/O ポートに取り 付ける。ヒーターとファンの駆動用には別電源 (12V、スイッチング式 ) を用意する。 図 1 システム構成 3. 温度制御回路 制御回路を図 2 に示す。左はコントロール回路、右はヒーターと温度センサー (Pt) である。 回路図は添付資料 (1) 。部品は南極での運用のためマイナス 40 ℃仕様のものを選んだ。パソコ ンからデータを取り込むために、 RS232C 用ポートを用意した。
Transcript of ワンチップマイコンを用いた温度コントローラの開発と冷却...
ワンチップマイコンを用いた温度コントローラの開発と冷却駆動実験
2009年2月20日 市川隆 (東北大理) 1. はじめに
南極の極寒環境において通常の電子機器・電気機器は動作しない。電子部品を厳選すること
でマイナス 40℃でも運用可能な装置の開発も一部可能であるが、一般的にマイナス 10℃程度
が限界であろう。従って、真空断熱材を用いた保温性の高い温蔵庫の中に入れ(「真空断熱材
BOX 実験」村田)、自己発熱を利用した保温が有効と考えられる。しかしその場合にも温度が
下がり過ぎないように、また上がりすぎないように温度コントロールが必要である。市販の温
度コントローラは高価であり、しかも南極の環境下での動作は保証されない。また本目的には
市販温度コントローラにあるような多機能は必要としない。そこでワンチップマイコンを用い
たマイナス40℃でも動作可能な温度コントローラを開発した。 2. マイコンによる制御システム
Texas Instruments 社のミックスド・シグナル・マイコロプロセッサ MSP430F4270 は、
32KB+256Bフラッシュメモリ、256BRAM、16 ビットタイマ、4チャンネル並列の16 ビッ
トA/D コンバータ、12 ビットD/A コンバータ 、32 個の I/O 端子、LCD ディスプレイ・
ドライバを搭載した16 ビット汎用マイコンである(トランジスタ技術2007 年1 月号に特集あ
り)。しかも1 個1200 円と安価である。4K バントまでのプログラムならば、無償で開発プラ
ットホーム( IAR Embedded Workbench)が使え、C言語で開発ができる。(このマイコンを用
いた周期誤差補正回路については「周期誤差補正回路」(市川)参照)。図1に今回開発した温度
コントローラのシステムの構成を示す。A/D コンバータを 2 つ用いてPt 温度センサーからの
入力を2チャンネル用意した。片方をモニター用、もう片方をコントロール用として使用する。
温度差に比例する電流を出力するトランジスタをD/Aコンバータに接続する。温度が上がりす
ぎた場合に備えて、冷却のために外気を取り込むファンを駆動するリレーを I/Oポートに取り
付ける。ヒーターとファンの駆動用には別電源(12V、スイッチング式)を用意する。 図 1 システム構成 3. 温度制御回路
制御回路を図 2 に示す。左はコントロール回路、右はヒーターと温度センサー(Pt)である。
回路図は添付資料(1)。部品は南極での運用のためマイナス 40℃仕様のものを選んだ。パソコ
ンからデータを取り込むために、RS232C用ポートを用意した。
図2 制御回路 ヒーターと温度Ptセンサー
4. 温度設定
今回の目的では、2つのモードを用意する。ひとつは設定した温度に維持するモードであり、
もうひとつは 2 つモニターの温度差が常に一定になるようにコントロールするモードである。
前者は冷却化では動作しない装置を一定の温度に保つものであり、後者は霜が着かないように、
望遠鏡などの装置と外気の温度差が常に一定になるようにコントロールする(例えば、望遠鏡や
ミラーを外気よりも0.1℃高くして、着霜を防ぐ)。設定はディップスイッチから2進数で与え
る。前者の場合は摂氏温度(1℃単位)、後者は温度差(0.01℃単位)をディップスイッチで与える。
マイコンにロードするソフトを書き換えることで、その他の使用方法も可能である。 5. パソコンによるモニター
本システムにはRS232C機能を取り入れてある。マイコン用RS232Cソフトはトラ技2007年1 月号を用いた。またトラ技2007 年7 月号付属のWindows 用ソフトによって、エクセル
の VBA 機能を用いてエクセルに直接読み込むことができる。バイナリ読みだしならば、フリ
ーのAcknowrichなどの通信ソフトでの読み出しも可能である。Linux用には読み込みソフト
を新たに開発した(添付資料)。ただし、本システムからのデータを垂れ流すだけなので、パソ
コンからマイコンを制御することはできない。本システムの開発に使用した無料のプラットホ
ームはソフトの長さに 4K バイトの制限があり、複雑なソフトの開発ができないためである。
有償のものを購入することで、マイコンのメモリ(32KB)をすべて利用できるようになるので、
もっと幅の広い使い方も可能になる。 6. 室内実験 制御にはPID制御をしている。ここではPと Iの制御での一例を紹介する。図は室温約25度、設定温度31度での結果である。十分に時間がたち、安定した状態での結果を図3に示す。
平均値は30.75℃、標準偏差は0.21℃である。31℃にたっしていないのは、ヒーターの能力が
足りないものと思われる。誤差が大きい原因はまだ不明である。 7. 冷却実験 電源を除く本システムを冷凍庫の中で駆動実験を行った。まず室温から冷凍庫の限界(今回は
－75℃までしか下がらなかった)まで動かした。その結果、最低温度まで正常に動作した。次に、
電源を切り、－75℃で長時間放置した後、コールドスタートした。この場合も問題なく動作し
たので、本装置は南極の環境でも問題なく動作することが期待される。 今後はPID制御パラメータの設定、高精度Pt温度センサーへの交換、ヒーターのバワーア
ップなどで、精度を高めていく予定である。 図3 温度コントロール例
1 2 3 4 5 6 7 8
A
B
C
D
87654321
D
C
B
A
Title
Number RevisionSize
A3
Date: 12-Jun-2009 Sheet of File: G:\PCB4\tempCtl.ddb Drawn By:
12
J17
CON2
DGND
Fun
DVcc
8
5
2
4
K2
G6L1P3DC
D6DIODE
R513k
C2
E1
B3Q8
2SC1815
FAN
R205.1K
C3
0.1uF
DVcc
DGND
DGND
DGND
Y1
32.768kHz
C2
CAP
C5
CAPDGND
D5DIODE1
2
J7
CON2
Vcc
AGND
RST
RST
DGND
TMSTDI
TCK
TDO
TCKTMSTDITDO
DVcc
1234
J9
CON4
R340 R350 R360 R370
R455.1k
AGND
R44100
AGND
R50
3k
E1
C2
B3
Q4
2SA1015
AVcc
1 2
J14CON2
R391K
12
J5
CON2
DGND
12
J8
CON2
R43 2k
DGND
DVccPower on LED
Power Supply (6V)Signal LED
Pt
R46
1k
12
J15
CON2AGND
DVcc
1CON5
CON1 DGND
TDO 1TDI 2TMS 3TCK 4GND 5RST 678
9101112
Vcc1314
J6
JTAG
R473k
AGND
DIP-1-0DIP-1-1DIP-1-2DIP-1-3DIP-1-4DIP-1-5DIP-1-6DIP-1-7
R224.7k
R234.7k
R254.7k
R284.7k
R304.7k
R314.7k
R324.7k
R334.7k
12345678
161514131211109
S2
SW DIP-8
DGND
DVcc
1
CON6
CON1 AGND
TDO/TDI1
TDI/TCLK2
TMS3
TCK4
RST/NMI5
DVcc6
DVss7
XIN8
XOUT9
AVss10
AVcc11
Vref12
P6.0/A0+13
P6.1/A0-14
P6.2/A1+15
P6.3/A1-16
P6.417
P6.518
P6.619
P6.720
P1.7/A2+21
P1.6/A2-22
P1.5/TACLK/ACLK/A3+23
P1.4/A3-/DAC024 P1.3/TA2/A4+ 25P1.2/TA1/A4- 26P1.1/TA0/MCLK 27P1.0/TA0 28LCDREF/R13 29LCDCAP/R23 30P5.1/S0 31P5.0/S1 32P5.5/S2 33P5.6/S3 34P5.7/S4 35S5 36P2.7/S6 37P2.6/S7 38P2.5/S8 39P2.4/S9 40P2.3/S10 41P2.2/S11 42P2.1/S12 43P2.0/S13 44COM0 45P5.2/COM1 46P5.3/COM2 47P5.4/COM3 48MSP2
MSP430F4270
1 2
CON4CON2
DVcc
R401k
R383k
AGND
1234
J1
CON4
R20 R30 R40 R50
R15.1k
AGND
R7100
AGND
E1
C2
B3
Q1
2SA1015
AVcc
Pt
R63k
AGND
A2-A2+
A4-A4+
A2-A2+
A4-A4+
C1+ 1
V+ 2
C1- 3
C2+ 4
C2- 5
V- 6
T2out 7
R2in 8R2out9 T2in10 T1in11 R1out12 R1in13 T1out14 GND15 Vcc16T1
ST3232
Vcc
DGND C10.1uF
C100.1uF
DGND
C90.1uF
C80.1uF
C7
0.1uF
DGND
123
J16CON3
TxDRxD
DGND
12345678
161514131211109
S1
SW DIP-8
DIP-1-0DIP-1-1DIP-1-2DIP-1-3DIP-1-4DIP-1-5DIP-1-6DIP-1-7
DIP-2-0DIP-2-1DIP-2-2DIP-2-3DIP-2-4DIP-2-5DIP-2-6DIP-2-7
DIP-2-0DIP-2-1
DIP-2-2DIP-2-3DIP-2-4
DIP-2-5
DIP-2-6DIP-2-7
DGND
R114.7k
R104.7k
R94.7k
R84.7k
R164.7k
R154.7k
R144.7k
R134.7k
DVcc
DVcc
R124.7k
DVcc
dum1
dum1
12
J2
CON2R174.7k
dum2
DVcc
dum2
R1810
R19
10
C40.1uF
C60.1uF
+ C114.7uF
+ C124.7uF
DGND
AGND
DVcc
AVcc
DVcc
AGNDAVcc
AD
J1
VIN3 +VOUT 2
J3LM317
R21240
R24430
AGND
C130.1uF
AGND
DGND
(2) 温度コントロール用プログラム (Linux用) #include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
int main(int argc, char *argv[] ){
FILE *measureFile;
struct tm *date;
time_t now;
int year,month,day;
int hour,minute,second;
time_t time();
int fd;
struct termios tio;
int err;
int i,j;
int heater,fun;
int time0,dtime;
unsigned char buff1,buff2;
float T,Tset;
if ((fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK))<0) {
exit(-1);
}
bzero(&tio, sizeof(tio));
tio.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
tio.c_iflag = IGNPAR;
tio.c_oflag = 0;
tio.c_lflag = 0;
tio.c_cc[VTIME] = 0;
tio.c_cc[VMIN] = 1;
tcflush(fd, TCIFLUSH);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &tio);
fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);
time(&now);
date=localtime(&now);
year=date->tm_year + 1900;
month=date->tm_mon+1;
day=date->tm_mday;
hour=date->tm_hour;
minute=date->tm_min;
second=date->tm_sec;
measureFile=fopen(argv[1],"a");
printf("%5d/%2d/%2d %2d %2d %2d\n",year,month,day,hour,minute,second);
fprintf(measureFile,"%5d/%2d/%2d %2d %2d %2d\n",year,month,day,hour,minute,second);
fclose(measureFile);
time0=time(NULL);
while(1){
measureFile=fopen(argv[1],"a");
dtime=time(NULL)-time0;
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff1,1);
}
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff2,1);
}
Tset=(buff1*256+buff2)/100.0;
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff1,1);
}
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff2,1);
}
T=(buff1*256+buff2)/100.0;
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff1,1);
}
heater = buff1;
err=-1;
while(err<0){
err = read(fd,&buff2,1);
}
fun=buff2;
printf("%8d %7.2f %7.2f %1d %1d \n",dtime,Tset,T,heater,fun);
fprintf(measureFile,"%8d %7.2f %7.2f %1d %1d \n",dtime,Tset,T,heater,fun);
fclose(measureFile);
}
close( fd );
}
温度コントロール用プログラム (マイコン用) // (トラ技2007年1月号、9月号を参照して作成) #include "DMM0.h" #include "msp430x42x0.h" #include <math.h> #include <stdlib.h> #define REPEAT 16 float V0, V1, V7; // output voltages from AD converter float R; // register to be obtained float T; // Temperature int heater, fun; float Tset; // setup Temperature from DIGIswitch float Po; // output power char ch2[2]; const float Tupper = 40; // upper temperature above which fan is operated const float AR = 3.9083e-3; // conversion coefficient of Pt-RTD const float BR = -5.775e-7; // converstion coefficient of Pt-RTD const float R0 = 100.; // reference registor for Pt-RTD // R=R0(1+AT+BT^2) const float KI = .5; // I for PID control const float KP = 1000.; // P for PID control const float bias = 940; unsigned short TAR_period; // sampling rate unsigned short Cnt_OVF; // overflow for TAR unsigned short Num_OVF; // number of TAR overflow long cnt0;
void MEA_Temp(void); void main(void) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // stop Wotch Dog Timer SCFQCTL = 94 - 1; // MCLK = 94 * ACLK * 2 = 6.16MHz, D = 2 FLL_CTL0 = DCOPLUS + XCAP18PF; // DCOPLUS = 1, capacitance 18pF SCFI0 = FLLD_2 + FN_2; // D = 2, fDCOCLK = 2.2-17Mhz BTCTL = BT_ADLY_2000; // Basic Timer t1ms(5); // wait for 5ms until FLL+ stabilized P1SEL = 0x10; // P1DIR = 0xEF; //P1.4 should be DIR=0 for DAC output P1DIR = 0x00; P2DIR = 0x00; P5DIR = 0x10; P6DIR |= 0xF0; P6OUT |= 0xA0; P6OUT &= 0xAF; DAC12_0CTL = DAC12OPS + DAC12SREF_0 + DAC12LSEL_0 + DAC12AMP_7 + DAC12IR; // (see manual) DAC12_0DAT = 0; _BIS_SR(GIE); // enable interupt do { MEA_Temp(); // measure temperature }while(1); } void MEA_Temp(void) {
long AD_Sum; // sampling times int i,j; float IR; // setup AD converter SD16CTL = SD16VMIDON + SD16REFON + SD16SSEL_1 + SD16DIV_3 + SD16XDIV_2; // 1.2V ref, SMCLK, /8, /16 t1ms(1); SD16CTL &= ~SD16VMIDON; // VMID off: used to settle ref cap SD16CTL = SD16REFON + SD16SSEL_1 + SD16DIV_3 + SD16XDIV_2; // 1.2V ref, SMCLK, /8, /3, fM = 44kHz SD16CCTL0 = SD16UNI + SD16OSR_1024 + SD16BUF_0; // unipole, OSR = 1024, bufferoff
IR = 0; do { j = (j + 1) & 0x3; // if j = 0, transfer data to COM Tset = P2IN; //read DIGIswitch // 1st bit = sign 0 = +; 1 = -1 if(Tset >= 128) Tset = -(Tset-128); // 8th bit MLB // measurement of offset SD16INCTL0 = SD16INTDLY_0 + SD16GAIN_8 + SD16INCH_7; SD16CCTL0 |= SD16SC; // start measuremment AD_Sum = 0; for (i = 0; i < REPEAT; i++) { while ((SD16CCTL0 & SD16IFG) == 0); // wait until finish AD_Sum = AD_Sum + SD16MEM0; } SD16CCTL0 &= ~SD16SC; // stop AD convert V7 = AD_Sum / (float)REPEAT / 65535. * Vref2/8.; // measurement of Pt SD16INCTL0 = SD16INTDLY_0 + SD16GAIN_8 + SD16INCH_0; // Pt (CH = 0) SD16CCTL0 |= SD16SC; AD_Sum = 0; for (i = 0; i < REPEAT; i++) { while ((SD16CCTL0 & SD16IFG) == 0); AD_Sum = AD_Sum + SD16MEM0; } SD16CCTL0 &= ~SD16SC; V0 = AD_Sum / (float)REPEAT / 65535. * Vref2/8.; // reference registor R0=100 SD16INCTL0 = SD16INTDLY_0 + SD16GAIN_8 + SD16INCH_1; // CH = 1 SD16CCTL0 |= SD16SC; AD_Sum = 0; for (i = 0; i < REPEAT; i++) { while ((SD16CCTL0 & SD16IFG) == 0); AD_Sum = AD_Sum + SD16MEM0; } SD16CCTL0 &= ~SD16SC; V1 = AD_Sum / (float)REPEAT / 65535. * Vref2/8.; R = (V0 - V7) / (V1 - V7) * 100.; T = (-AR + sqrt(pow(AR,2)-4*BR*(1-R/R0)))/2.0/BR;
if (abs(Tset - T)/Tset > .2) // deviation of temperature { IR = 0; // clear integration } else { IR = IR+(Tset - T); // integrate difference } Po = KP * (Tset - T) + KI * IR + bias; // bias voltage to be sent if (Po > 4095) Po = 4095; if (Po < bias) Po = 0; DAC12_0DAT = Po; // p6.4 NC // p6.5 heater LED (1=off,0=on) // p6.6 fan (1=on, 0=off) // p6.7 fan LED (1=off,0=on) if(Po <= bias) { heater=0; P6OUT |= 0x30; } else { heater=1; P6OUT &= 0x1F; } // if(T > Tupper) { if(T > Tset) { P6OUT |= 0x40; P6OUT &= 0x7F; fun=1; } else { P6OUT &= 0xBF; P6OUT |= 0x80; fun=0; } if ( j == 0) { // 温度データをシリアル通信で出力 TX_DAT((int)(Tset*100)>>8); TX_DAT((int)(Tset*100)); TX_DAT((int)(T*100)>>8); TX_DAT((int)(T*100));
TX_DAT(heater); TX_DAT(fun); } } while(1); } /*************************************** 1ms wait routine ***************************************/ void t1ms(unsigned short dat) { unsigned short j; unsigned long i; i = 32.768 * dat - 22;
do { j = BTCNT1; while(BTCNT1 == j); i--; }while (i != 0); } /****************************************************** EIA574 Data transmit service routine ******************************************************/ void TX_DAT(unsigned int j) { unsigned int i; // 変 P5OUT &= ~0x10; // TX = 0 スタート・ビット BTCNT1 = 0; // BTCNT1をクリア while (BTCNT1 < tb[0]); // 1周期待つ for (i = 0; i < 8; i++) // データの送信, D0から { if ((j & 0x1) == 0) { P5OUT &= ~0x10; // 送信データが0ならTX = 0 } else { P5OUT |= 0x10; // 送信データが1ならTX = 1 } j = j / 2; // 送信データを1ビット右シフト BTCNT1 = 0; // BTCNT1をクリア while (BTCNT1 < tb[i + 1]); // 1周期待つ
} P5OUT |= 0x10; // TX = 1、ストップ・ビット BTCNT1 = 0; // BTCNT1をクリア while (BTCNT1 < tb[9]); // 1周期待つ }
