基于ARM的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)，它基于三星公司生產(chǎn)的ARM7內(nèi)核的S3C44B0，以Pt100熱電阻采集溫度信號(hào)，通過RWB溫度變送器和A/D轉(zhuǎn)換獲得實(shí)際溫度值，同時(shí)通過LCD實(shí)時(shí)顯示；通過調(diào)整脈寬調(diào)制的占空比，控制加熱電路繼電器的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。文章介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成原理，實(shí)現(xiàn)流程，并重點(diǎn)介紹了PID自整定算法的原理和實(shí)現(xiàn)，給出了部分應(yīng)用電路。此溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱電儀，實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足了熱電儀的溫度控制要求。
關(guān)鍵詞：ARM；溫度控制；PID；自整定

1 引言

處在溫差條件下的礦物，對外表現(xiàn)為溫差熱電勢E，溫差一定時(shí)，E達(dá)到一平衡值。E除以溫差得到的就是礦物的熱電系數(shù)，它能夠靈敏的反映礦物成分和晶體結(jié)構(gòu)的某些細(xì)微差異，在金礦找礦和礦床評價(jià)方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。用來測量礦物熱電性的熱電系數(shù)測量儀（熱電儀），在市場上并沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，需要根據(jù)需求自行開發(fā)。其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是將溫度精確控制在設(shè)定值，為半導(dǎo)體礦物創(chuàng)造恒定的溫差條件。本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)就是來解決這一問題。

溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制，與其它控制系統(tǒng)相比，溫度控制系統(tǒng)有其特殊性^[1]。例如，對機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)電系統(tǒng)，用線性定常集中參數(shù)的動(dòng)力學(xué)微分方程來描述，通常不會(huì)帶來過大的誤差。然而用同樣的方法來處理溫度過程顯然不能令人滿意，因?yàn)闊崮艿膫鬟f是以場的方式進(jìn)行的，所以它具有明顯的非線性、時(shí)變性、分布性以及時(shí)間滯后。若用解析的方法為它建模，其結(jié)果不是過于復(fù)雜，就是在模型簡化過程中，失去某些最本質(zhì)的因素，使模型和對象間產(chǎn)生過大的偏差。因此，對溫度系統(tǒng)的建模，通常用經(jīng)驗(yàn)建模，或經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的建模。

本文介紹的溫度控制系統(tǒng)，通過改進(jìn)的PID控制算法，結(jié)合硬件ARM7內(nèi)核的S3C44B0微處理器，由傳感器PT100獲取溫度信號(hào)，通過自整定獲取最適合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對所需溫度的精確控制。系統(tǒng)包括電加熱器、控制器和溫度傳感器及變換器三部分，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。這種主動(dòng)熱控制的特點(diǎn)在于可適時(shí)調(diào)節(jié)被控對象的熱傳遞效率，對外部變化反應(yīng)靈敏，溫度調(diào)節(jié)精度高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

該溫度控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)對設(shè)定溫度的實(shí)時(shí)控制，操作人員可以通過鍵盤設(shè)定目標(biāo)控制溫度，通過單片機(jī)的邏輯程序控制，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的組成主要分為三部分，即三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X單片機(jī)所構(gòu)成的單片機(jī)控制系統(tǒng)；由Pt100熱電阻、溫度補(bǔ)償，運(yùn)算放大電路構(gòu)成的溫度檢測通道；由三極管運(yùn)放電路、固態(tài)繼電器和外部加熱器構(gòu)成的輸出控制通道。其中，單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理和交換功能都是利用單片機(jī)的軟件來實(shí)現(xiàn)。

工作時(shí)，設(shè)定溫度由操作人員通過鍵盤完成，并通過LCD顯示設(shè)定溫度值；由Pt100熱電阻檢測控制對象實(shí)際溫度值，經(jīng)過RWB溫度變送器和放大電路，將溫度信號(hào)送入S3C44B0的A/D端口，經(jīng)過固定公式換算得出實(shí)際溫度并實(shí)時(shí)顯示。程序控制系統(tǒng)將實(shí)際溫度值與系統(tǒng)設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，按照自整定PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，確定下一時(shí)間單元輸出PWM信號(hào)占空比，以控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制外部加熱器的平均輸出功率，實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖1是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

圖1 溫控系統(tǒng)原理圖                              

   圖2 控制系統(tǒng)電源電路

2.2 S3C44B0X片上資源 ^[2]

S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC結(jié)構(gòu)的CPU，是一款高性價(jià)比微處理器。其豐富的片上資源充分保證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：2.5V供電的ARM7TDMI內(nèi)核上增加8kB的Cache；外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片選邏輯）；LCD控制器（最大支持256色的DSTN）并帶有一個(gè)LCD專用DMA通道； 2個(gè)帶有握手協(xié)議的UART，1個(gè)SIO； 5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；看門狗定時(shí)器；71個(gè)通用可編程I/O口，8個(gè)外部中斷源；多種功耗控制模式；8路10 位ADC； PLL時(shí)鐘發(fā)生器等。

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為五部分，即電源電路部分、鍵盤電路部分、檢測電路部分、控制及顯示電路部分以及輸出控制。系統(tǒng)需要三種不同電壓，分別是外圍的5.0V、ARM內(nèi)核2.5V以及I/O3.3V^[3]，由交流220V轉(zhuǎn)直流7.5V變壓器供電，設(shè)計(jì)電源電路如圖2所示。

鍵盤電路完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能參數(shù)的設(shè)置，包括設(shè)定溫度值、儀器的工作模式、儀表基本參數(shù)如初始PID參數(shù)等。鍵盤響應(yīng)電路只有當(dāng)檢測到管腳電平到達(dá)或者低于一個(gè)電平數(shù)值的時(shí)候才認(rèn)同是有鍵被按下，并通過延時(shí)處理程序，即當(dāng)程序通過施密特觸發(fā)檢測到有按鍵落下后仍要經(jīng)過一個(gè)延時(shí)再進(jìn)行判斷，只有確定仍然處于按下狀態(tài)時(shí)才認(rèn)定按鍵落下，進(jìn)而跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的按鍵處理程序，并在處理程序中判斷按鍵是否彈起，保證了每一次按鍵的有效性和準(zhǔn)確性。S3C44B0自帶8路10位A/D，所以省去了A/D轉(zhuǎn)化電路，可以直接讀取放大后的信號(hào)并通過固定公式計(jì)算出實(shí)際溫度值，將此溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算，調(diào)整CPU通過I/O口PE5(PE3~PE7可任選其一)所輸出PWM脈沖信號(hào)的占空比，從而改變固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間，由此控制電熱絲的導(dǎo)通比率，從而控制加熱器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、控制。

系統(tǒng)的顯示采用LCD，用來顯示溫度值、工作模式、及礦物熱電系數(shù)讀數(shù)等。設(shè)計(jì)液晶顯示器和控制電路時(shí)，必須提供電源驅(qū)動(dòng)、偏壓驅(qū)動(dòng)以及LCD顯示控制器。由于S3C44B0X本身自帶LCD控制器，所以控制電路的設(shè)計(jì)可以省去顯示控制電路，只需進(jìn)行電源驅(qū)動(dòng)和偏壓驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用的液晶屏為GPG1624UWE1單色16級灰度的2.7寸液晶屏，與S3C44B0X采用4位單掃描方式連接。此液晶屏的驅(qū)動(dòng)電源是22.6V，這里采用MC34063A電源管理模塊，通過R8調(diào)節(jié)將5V的電壓升至22.6V以提供液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)電源，如圖3所示；偏壓電源由系統(tǒng)升壓后的電源分壓得到，LM324用來穩(wěn)定電壓、增強(qiáng)帶載能力，如圖4所示。

  圖3 LCD驅(qū)動(dòng)電源電路                          

 圖4 LCD偏壓電源電路

3 PID自整定算法原理和實(shí)現(xiàn)

3.1 PID控制器

PID 控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)負(fù)反饋控制器，是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值 y(t) 的差值構(gòu)成控制偏差 e(t)。                  

PID 的控制規(guī)律為:                (1)

式中: —比例系數(shù)；T_I —積分時(shí)間常數(shù)；T_D —微分時(shí)間常數(shù)。

3.2 歸一參數(shù)整定法

在微處理器S3C44B0為硬件核心的控制系統(tǒng)中，選擇合適的采樣周期，對輸入輸出采樣，得到離散時(shí)間控制系統(tǒng)。在離散時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID 控制器用差分方程表示為：

                             (2)

式中：T 為采樣周期， ， 。u(k)與u(k-1)相減得增量式 PID 控制算法的輸出增量為： 

               (3)

 (3) 式又可寫為：         (4)

根據(jù) Ziegler-Nichle 條件^[3]，令 。

式中: T_k 為臨界振蕩周期。代入（4）可得：             (5)

這就是擴(kuò)充臨界比例整定法（歸一參數(shù)整定法）只需整定一個(gè)參數(shù)，適合于計(jì)算機(jī)自整定。

3.3 整定準(zhǔn)則和方法

該方法采用時(shí)間乘絕對誤差積分準(zhǔn)則（ITAE 準(zhǔn)則）：ITAE =       (6)

當(dāng)ITAE取最小值時(shí)，控制系統(tǒng)為最佳狀態(tài)。它具有對單位階躍響應(yīng)的初始誤差考慮少，著重權(quán)衡瞬態(tài)響應(yīng)后期出現(xiàn)的誤差，因此要尋求其最小值。計(jì)算ITAE最小值可等效于求ITAE^*最小值： ITAE^* =              (7)

每次計(jì)算 的值，與上次得到的 比較，根據(jù) 的變化趨勢對 PID 算式中的參數(shù)K_P進(jìn)行修正，N可取5～10，每隔N個(gè)采樣周期按修正公式對K_P進(jìn)行一次修正。

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：此溫度控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間；環(huán)境溫度對穩(wěn)定過程有輕微的影響，但對精度幾乎沒有影響；而參數(shù)N(每N個(gè)周期修正一次K_P)的選取，對精度具有決定性的作用。熱電儀的使用特性決定了最常用的溫度是50℃左右，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)選擇控制溫度為45℃時(shí)，經(jīng)過約12min系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，其中當(dāng)N取12時(shí)，穩(wěn)定后溫度偏差達(dá)到±2℃，當(dāng)N取5時(shí)，溫度偏差為±0.3℃，相對誤差0.7％達(dá)到了較高的控制精度，完全符合熱電儀溫度控制系統(tǒng)的要求。在一定范圍內(nèi)，隨著N取值的減小，控制精度在提高。經(jīng)過調(diào)試，在熱電儀的實(shí)際應(yīng)用中N取5。

本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)通過合理地搭建于ARM嵌入式平臺(tái)，采用PID自整定算法，與常規(guī)PID控制算法比較，使被控對象的溫度波動(dòng)大幅度減小，具有響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量小、控制精度高、穩(wěn)定性好、智能化等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行軟硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于熱電系數(shù)測量儀中，經(jīng)測試，此控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足了系統(tǒng)溫度控制精度要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在軟硬件實(shí)現(xiàn)并滿足需求的基礎(chǔ)上給出了詳細(xì)的理論依據(jù)，理論和實(shí)際應(yīng)用達(dá)到了很好的結(jié)合，為同類系統(tǒng)的升級、改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。

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