嵌入式PID溫控調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)無(wú)影照明系統(tǒng)中色溫控制的難題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM微處理器的嵌入式溫度調(diào)節(jié)器，整個(gè)智能溫度控制器由微控制器、數(shù)字顯示模塊、溫度傳感器、PWM加熱模塊、時(shí)鐘電路等多個(gè)部件組成，設(shè)計(jì)了其中的PID調(diào)節(jié)電路、串口通信電路、微控制器外圍通信接口、PWM加熱控制電路以及軟件模塊，并搭建起整個(gè)軟硬件系統(tǒng)。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，結(jié)果表明，該嵌入式PID溫度控制器能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具有良好的調(diào)節(jié)精度，并保持恒溫控制特性，可以投入實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；PID；溫度控制系統(tǒng)；ARM微處理器

0 引言

溫度控制器是一種重要的控制設(shè)備，在性能要求敏感的家用電器中，溫度控制器是必備的控制系統(tǒng)之一，其在大型工業(yè)和日常生活等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。很多應(yīng)用領(lǐng)域，需要精度較高的恒溫控制，例如，根據(jù)外界變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的LED亮度以達(dá)到所需色溫值，可以實(shí)現(xiàn)更好的照明和裝飾效果。在溫度控制器中引入PID控制可以得到較理想的控制效果，溫度波動(dòng)均可控制在0～125℃之內(nèi)。該技術(shù)已應(yīng)用于定時(shí)控溫發(fā)酵器、保健墊等產(chǎn)品中，運(yùn)行良好，獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何在無(wú)影照明系統(tǒng)的色溫控制中引入PID溫度控制系統(tǒng)成為當(dāng)今研究的課題之一，而且隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在溫度控制系統(tǒng)中引入嵌入式系統(tǒng)已成為一種趨勢(shì)，它具有擴(kuò)展性強(qiáng)，集成度高，控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

1 嵌入式溫控系統(tǒng)概述

1．1 嵌入式概述

從嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成上看，嵌入式系統(tǒng)是集軟件硬件于一體的，可以獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；從外觀(guān)上看，嵌入式系統(tǒng)更像是一個(gè)“可編程”的電子元器件；從功能上看，它是對(duì)執(zhí)行對(duì)象進(jìn)行精確控制，使其具有“智能”的控制器。

嵌入式系統(tǒng)是主要完成信號(hào)控制的功能，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件嵌入所控制的裝置中。它提供用戶(hù)接口，管理信息的輸入輸出，監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品有較高智能和性?xún)r(jià)比。根據(jù)IEEE(國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是控制監(jiān)視或輔助設(shè)備機(jī)器或工廠(chǎng)運(yùn)行的裝置?？梢钥闯鲈摱x主要是從應(yīng)用方面考慮的。嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)的最主要區(qū)別也就在于應(yīng)用目的不同，不管是在硬件還是軟件方面，每一套嵌入式系統(tǒng)都是針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合或?yàn)榱颂囟üδ芏?ldquo;量身定做”的，需要考慮更多的是空間成本等因素。

嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性與可靠性高、可裁剪性好、功耗低。采用基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其擴(kuò)展容易、功能強(qiáng)大，不僅能在硬件結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化系統(tǒng)，還可以提高性能，進(jìn)而可以降低系統(tǒng)的成本以便更加靈活地部署應(yīng)用，嵌入式是溫度調(diào)節(jié)控制器的發(fā)展方向。

1．2 PID調(diào)節(jié)原理

比例、積分、微分控制器是在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱(chēng)PID調(diào)節(jié)器，PID控制于20世紀(jì)50年代出現(xiàn)，成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，主要因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 硬件總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式ARM溫度調(diào)節(jié)器主要有以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：顯示模塊，溫度傳感器，時(shí)鐘電路模塊，報(bào)警模塊，ARM核S3C2440，PID控制模塊，PWM加熱控制摸了，以及復(fù)位電路。系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

2．2 PWM加熱模塊設(shè)計(jì)

PWM加熱模塊由3524芯片加一些外圍元器件組成。矩形波由3524芯片內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生，其頻率為：

f≈1．30／(RT-CT)      (1)

式中電位器RT用于調(diào)整頻率大小，脈沖寬度調(diào)制器由3524芯片內(nèi)部的差動(dòng)放大器、比較器、振蕩器等組成。其輸出的矩形波占空比由差動(dòng)放大器輸出電壓控制。

2．3 PID電路

設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器的目的是調(diào)節(jié)控制對(duì)象的實(shí)際值與新的設(shè)定值相對(duì)應(yīng)，可以減少或消除干擾量的影響。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，由于控制的穩(wěn)定性和可靠性等要求，模擬PID控制技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、成本較低、應(yīng)用廣泛成熟。圖2為PID調(diào)節(jié)器的組成框圖。

在控制單元內(nèi)輸入信號(hào)Vi經(jīng)PI，PD電路進(jìn)行PID運(yùn)算得到Vo。

PID調(diào)節(jié)器的工作原理為：Vi為溫度傳感器檢測(cè)放大處理后的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較后的偏差量，調(diào)節(jié)器對(duì)偏差量進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，從而輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)Vo給下一級(jí)電路，促使測(cè)量值信號(hào)恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。調(diào)節(jié)器的3個(gè)參數(shù)(P，I，D)獨(dú)立可調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中采用工程整定的方法確定P，I，D參數(shù)．該方法直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

2．4 軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊在溫度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中非常重要，本文中由于軟件系統(tǒng)比較眾多，所以采用模塊化設(shè)計(jì)方案，即整個(gè)軟件由許多獨(dú)立的小軟件模塊構(gòu)成，小模塊之間通過(guò)特定的軟件接口進(jìn)行連接和通信，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。它的主要工作流程圖如圖3所示。

首先進(jìn)行控制器參數(shù)初始化，然后讀取溫度的設(shè)定值，如果成功獲取則控制PWM加熱模塊進(jìn)行執(zhí)行；溫度傳感器模塊獲取實(shí)際溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果相同則結(jié)束；不同則通過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)加熱模塊，直至相同。

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3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)總體框圖1，把各功能塊連接起來(lái)，將軟件下載至ARM系統(tǒng)中，將溫度傳感器DS18B20通過(guò)串行接口與ARM控制器相連，搭建出實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)設(shè)定溫度為50 ℃時(shí)，其運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)設(shè)定溫度為90 ℃時(shí)，其運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于A(yíng)RM的PID溫度控制器，采用DS18B20作為溫度傳感器，用串口與微處理器進(jìn)行通信，微處理器采用ARM S3C2440，加熱模塊采用PWM方式，給出了總體硬件電路和軟件工作流程，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，結(jié)果表明該控制器具有較高的調(diào)節(jié)精度，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。