嵌入式PID溫控調節系統的設計

　　摘要：針對無影照明系統中色溫控制的難題，設計了一種基于ARM微處理器的嵌入式溫度調節器，整個智能溫度控制器由微控制器、數字顯示模塊、溫度傳感器、PWM加熱模塊、時鐘電路等多個部件組成，設計了其中的PID調節電路、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，并搭建起整個軟硬件系統。zui后進行了實驗和驗證，結果表明，該嵌入式PID溫度控制器能夠滿足設計要求，具有良好的調節精度，并保持恒溫控制特性，可以投入實際應用。
　　
　　引言
　　
　　溫度控制器是一種重要的控制設備，在性能要求敏感的家用電器中，溫度控制器是*的控制系統之一，其在大型工業和日常生活等領域都具有廣闊的應用前景。很多應用領域，需要精度較高的恒溫控制，例如，根據外界變化，隨時調節相應的LED亮度以達到所需色溫值，可以實現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，溫度波動均可控制在0～125℃之內。該技術已應用于定時控溫發酵器、保健墊等產品中，運行良好，獲得了良好的社會效益和經濟效益。因此，如何在無影照明系統的色溫控制中引入PID溫度控制系統成為當今研究的課題之一，而且隨著現代計算機技術、通信技術、數字化技術的發展，在溫度控制系統中引入嵌入式系統已成為一種趨勢，它具有擴展性強，集成度高，控制等優點。
　　
　　1、嵌入式溫控系統概述
　　
　　1．1嵌入式概述
　　
　　從嵌入式系統的構成上看，嵌入式系統是集軟件硬件于一體的，可以獨立工作的計算機系統；從外觀上看，嵌入式系統更像是一個“可編程”的電子元器件；從功能上看，它是對執行對象進行控制，使其具有“智能”的控制器。
　　
　　嵌入式系統是主要完成信號控制的功能，體積小，結構緊湊，可作為一個部件嵌入所控制的裝置中。它提供用戶接口，管理信息的輸入輸出，監控設備工作，使設備及應用產品有較高智能和性價比。根據IEEE（電氣和電子工程師協會）的定義，嵌入式系統是控制監視或輔助設備機器或工廠運行的裝置。可以看出該定義主要是從應用方面考慮的。嵌入式系統與通用計算機的zui主要區別也就在于應用目的不同，不管是在硬件還是軟件方面，每一套嵌入式系統都是針對不同應用場合或為了特定功能而“量身定做”的，需要考慮更多的是空間成本等因素。
　　
　　嵌入式系統的性強、實時性與可靠性高、可裁剪性好、功耗低。采用基于嵌入式技術實現的溫度控制器，其擴展容易、功能強大，不僅能在硬件結構上簡化系統，還可以提高性能，進而可以降低系統的成本以便更加靈活地部署應用，嵌入式是溫度調節控制器的發展方向。
　　
　　1．2PID調節原理
　　
　　比例、積分、微分控制器是在工程實際中應用的調節器，簡稱PID調節器，PID控制于20世紀50年代出現，成為工業控制的主要技術之一，主要因為其結構簡單、工作可靠、穩定性好、調整方便等優點。
　　
　　2、系統設計
　　
　　2．1硬件總體設計
　　
　　本文設計的嵌入式ARM溫度調節器主要有以下幾個模塊構成：顯示模塊，溫度傳感器，時鐘電路模塊，報警模塊，ARM核S3C2440，PID控制模塊，PWM加熱控制摸了，以及復位電路。系統的總體硬件設計如圖1所示。　　
　　2．2PWM加熱模塊設計
　　
　　PWM加熱模塊由3524芯片加一些外圍元器件組成。矩形波由3524芯片內部振蕩器產生，其頻率為：
　　
　　f≈1．30／（RT-CT）（1）
　　
　　式中電位器RT用于調整頻率大小，脈沖寬度調制器由3524芯片內部的差動放大器、比較器、振蕩器等組成。其輸出的矩形波占空比由差動放大器輸出電壓控制。
　　
　　2．3PID電路
　　
　　設計PID調節器的目的是調節控制對象的實際值與新的設定值相對應，可以減少或消除干擾量的影響。在自動控制領域，由于控制的穩定性和可靠性等要求，模擬PID控制技術簡單可靠、成本較低、應用廣泛成熟。圖2為PID調節器的組成框圖。　　
　　在控制單元內輸入信號Vi經PI，PD電路進行PID運算得到Vo。
　　
　　PID調節器的工作原理為：Vi為溫度傳感器檢測放大處理后的信號與設定信號進行比較后的偏差量，調節器對偏差量進行比例、積分、微分運算，從而輸出適當的控制信號Vo給下一級電路，促使測量值信號恢復到給定值，達到自動控制的效果。調節器的3個參數（P，I，D）獨立可調，在實際應用中采用工程整定的方法確定P，I，D參數．該方法直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。
　　
　　2．4軟件設計
　　
　　軟件模塊在溫度控制調節系統中非常重要，本文中由于軟件系統比較眾多，所以采用模塊化設計方案，即整個軟件由許多獨立的小軟件模塊構成，小模塊之間通過特定的軟件接口進行連接和通信，按功能形成模塊化結構。它的主要工作流程圖如圖3所示。　　
　　首*行控制器參數初始化，然后讀取溫度的設定值，如果成功獲取則控制PWM加熱模塊進行執行；溫度傳感器模塊獲取實際溫度與設定值進行比較，如果相同則結束；不同則通過PID控制來調節加熱模塊，直至相同。
　　
　　3、實驗與驗證
　　
　　根據硬件設計總體框圖1，把各功能塊連接起來，將軟件下載至ARM系統中，將溫度傳感器DS18B20通過串行接口與ARM控制器相連，搭建出實驗環境進行實驗驗證。當設定溫度為50℃時，其運行結果如圖4所示。　　
　　當設定溫度為90℃時，其運行結果如圖5所示。
　　
　　4、結語
　　
　　本文設計了基于ARM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行通信，微處理器采用ARMS3C2440，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，zui后進行了實驗和驗證，結果表明該控制器具有較高的調節精度，可用于工業現場。