基于PID算法和PWM控制的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
李香宇1，王世功2，王 萌1，張亞周1
（1．海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺264001；2.煙臺東方分析儀器有限公司，山東煙臺264001）
摘要：介紹了一種基于PID算法和PWM控制的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，可應(yīng)用于儀器儀表對溫度控制的領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用DS18820作為溫度傳感器，通過單總線直接將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器ATMEGA16A，采用半導(dǎo)體功率器件BTA12驅(qū)動加熱器。同時，可以通過LED數(shù)碼管直讀顯示，上位機(jī)通過串口設(shè)置溫度參數(shù)，并實(shí)時監(jiān)控溫控系統(tǒng)工作。軟件運(yùn)用PID算法處理得到PWM控制參數(shù)，由單片機(jī)PWM單元輸出PWM控制信號，從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、v向應(yīng)快、穩(wěn)定性好、控制精度高的特點(diǎn)，在外界溫度變化5℃/h條件下，實(shí)現(xiàn)控溫精度±0.1℃。
關(guān)鍵詞：DS18 820；單片機(jī)；PID；PWM;溫控儀
中圖分類號：TP273文章編號：1006 - 2394( 2016) 05 - 0031 - 03
0 引言
在許多領(lǐng)域中，溫度都是一個重要的參數(shù)指標(biāo)。特別是在現(xiàn)代儀器儀表領(lǐng)域，溫度成為制約儀器長期穩(wěn)定性一個非常重要指標(biāo)，如果溫度控制不好，對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此，設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)對儀器儀表的溫度進(jìn)行控制就顯得尤其重要。傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，存在硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、數(shù)據(jù)實(shí)時處理能力差、溫度調(diào)節(jié)時間長的缺點(diǎn)。采用熱電阻和熱電偶作為溫度傳感器的設(shè)計(jì)，信號處理電路復(fù)雜、線性差，需要通過硬件或軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。本文采用內(nèi)部集成PWM單元的AVR單片機(jī)ATMEGA16A作為主控制器，采用單總線溫度傳感器DS18 820直接實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換，軟件上采用PID算法控制PWM波形來驅(qū)動加熱單元，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、電路簡單，完全能夠滿足高性能儀器儀表的應(yīng)用要求。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由溫度采集單元、控制單元、驅(qū)動單元、顯示單元和串口通信單元組成。采用單總線器件DS18 B20作為溫度傳感器，可以進(jìn)行溫度信號采集和AD轉(zhuǎn)換，并采用AVR單片機(jī)ATMEGA16A作為控制器，控制器內(nèi)部PID算法處理轉(zhuǎn)換成為PWM控制器的控制參數(shù)，并由PWM控制器輸出PWM波形，通過BTA12驅(qū)動加熱器工作。通過74HC373驅(qū)動數(shù)碼管靜態(tài)顯示當(dāng)前溫度，同時，將溫度、加熱效率參數(shù)通過串口通信發(fā)送到上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件設(shè)置溫度限值。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列單片機(jī)ATMEGA16A作為主控制器。ATMEGA16A單片機(jī)是高性能RISC結(jié)構(gòu)、低功耗的8位微處理器，其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。內(nèi)含可反復(fù)編程的Flash程序存儲器、SRAM和EEPROM兩種數(shù)據(jù)存儲器、定時器計(jì)數(shù)器、方向可定義的I/O口、同步串行口、異步串行口、A/D及PWM等豐富的內(nèi)部資源。
溫度采集單元采用單總線集成溫度傳感器DS18 B20 ,DS18 B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線智能數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號供計(jì)算機(jī)處理。DS18 B20的測溫范圍為-55℃~+125℃，固有測溫分辨率為0.5℃，最高分辨率可達(dá)到0. 062 5℃。DS18 B20將采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成9～12位（可編程）的數(shù)字量，通過數(shù)據(jù)線DQ與主控制器ATMEGA16A的PD7連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
驅(qū)動單元采用Motorola公司的單片集成晶閘管驅(qū)動器件MOC3061驅(qū)動雙向硅BTA12。MOC3061的1端口與主控制器ATMEGA16A的PD2連接，作為控制端；MOC3061的4端口接雙向硅，通過雙向硅控制加熱器。
串口通信單元采用MAX232CP完成5V的TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換，通過T21和R20分別接到ATMEGA16A的UART端口的發(fā)送端和接收端。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)的集成環(huán)境匯編及開發(fā)調(diào)試軟件，采用C語言編程。溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度采集、PID算法和PWM控制等功能。
3.1 溫度采集的實(shí)現(xiàn)
傳感器DS18 B20采集溫度后，由主控制器AT-MEGA16A來控制DS18 B20完成溫度轉(zhuǎn)換。在命令傳感器DS18 B20開始溫度轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取溫度數(shù)據(jù)的過程中，都要根據(jù)DS18 B20的初始化時序、讀時序進(jìn)行操作。溫度采集處理的軟件流程圖見圖2。
3.2 PID算法
PID數(shù)字控制調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的偏差e(t)=r(t)-c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制量進(jìn)行控制。其原理如框圖3所示。
PID調(diào)節(jié)器的微分方程為：
式中：K p、T i、TD分別為比例放大系數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)。PID計(jì)算子程序的主要功能是根據(jù)設(shè)置的PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。PID計(jì)算的子程序如下：
3.3 PWM控制
本設(shè)計(jì)中，通過PID算法實(shí)現(xiàn)溫度誤差計(jì)算，調(diào)整PWM控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PWM相應(yīng)占空比，將主控制器ATMEGA16A的PD2口輸出PWM信號，去控制外圍加熱電路。實(shí)現(xiàn)PWM的方式既可以工作在變頻方式也可以工作在固定PWM周期方式，本設(shè)計(jì)采用變頻方式來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定固定不變的非加熱時間，通過對加熱時間的控制從而控制加熱的占空比。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本系統(tǒng)在密閉環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到1 h內(nèi)溫度變化趨勢圖，如圖4所示。溫度保持在34.8℃~34.9℃，溫度控制精度在±0.1℃，說明外界環(huán)境變化不大的時候內(nèi)部溫度會保持不變，提高了溫度的控制精度和穩(wěn)定性。由于加熱方式采用PWM控制，所以加熱時間一般不超過1s，加熱時間短不會使加熱器溫度過高，提高加熱器工作壽命。
5結(jié)束語
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、電路簡單，完全能夠滿足高性能儀器儀表的應(yīng)用要求。
上一篇:基于F28M35的伺服控制器多軸同步設(shè)計(jì)
下一篇:返回列表
