嵌入式PID溫控調節(jié)系統(tǒng)的設計

摘要：針對無影照明系統(tǒng)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(jié)器，整個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、時鐘電路等多個部件組成，設計了其中的PID調節(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，并搭建起整個軟硬件系統(tǒng)。最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(jié)精度，并保持恒溫控制特性，可以投入實際應用。

關鍵詞：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(jù)外界變化，隨時調節(jié)相應的LED亮度以達到所需色溫值，可以實現(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，溫度波動均可控制在0～125℃之內。該技術已應用于定時控溫發(fā)酵器、保健墊等產(chǎn)品中，運行良好，獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。因此，如何在無影照明系統(tǒng)的色溫控制中引入PID溫度控制系統(tǒng)成為當今研究的課題之一，而且隨著現(xiàn)代計算機技術、通信技術、數(shù)字化技術的發(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，它具有擴展性強，集成度高，控制精確等優(yōu)點。

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)的構成上看，嵌入式系統(tǒng)是集軟件硬件于一體的，可以獨立工作的計算機系統(tǒng)；從外觀上看，嵌入式系統(tǒng)更像是一個“可編程”的電子元器件；從功能上看，它是對執(zhí)行對象進行精確控制，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(jiān)控設備工作，使設備及應用產(chǎn)品有較高智能和性價比。根據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義，嵌入式系統(tǒng)是控制監(jiān)視或輔助設備機器或工廠運行的裝置?？梢钥闯鲈摱x主要是從應用方面考慮的。嵌入式系統(tǒng)與通用計算機的最主要區(qū)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(tǒng)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(tǒng)的專用性強、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(xiàn)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(tǒng)，還可以提高性能，進而可以降低系統(tǒng)的成本以便更加靈活地部署應用，嵌入式是溫度調節(jié)控制器的發(fā)展方向。

1．2 PID調節(jié)原理

比例、積分、微分控制器是在工程實際中應用最為廣泛的調節(jié)器，簡稱PID調節(jié)器，PID控制于20世紀50年代出現(xiàn)，成為工業(yè)控制的主要技術之一，主要因為其結構簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、調整方便等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設計

2．1 硬件總體設計

本文設計的嵌入式ARM溫度調節(jié)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(tǒng)的總體硬件設計如圖1所示。

2．2 PWM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(chǎn)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。

2．3 PID電路

設計PID調節(jié)器的目的是調節(jié)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(wěn)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(jié)器的組成框圖。

在控制單元內輸入信號Vi經(jīng)PI，PD電路進行PID運算得到Vo。

PID調節(jié)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(jié)器對偏差量進行比例、積分、微分運算，從而輸出適當?shù)目刂菩盘朧o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(jié)器的3個參數(shù)(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(shù)．該方法直接在控制系統(tǒng)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(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。

首先進行控制器參數(shù)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(zhí)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(jié)加熱模塊，直至相同。