基于PID算法温度控制系统设计

2019-08-26杨伟浩

数字技术与应用 2019年5期

关键词：PID算法温度控制

杨伟浩

摘要：本文采用NTC热敏电阻温度采集，STC15F2K60S2单片机为主控芯片，以PID为核心算法、PWM控制方式控制半导体制冷片，实现恒温的温度控制系统。硬件主要分为电源压降电路、温度采集电路、温控电路等三大部分。

关键词：PID算法;PWM;温度控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0016-02

0 绪论

目前PID控制的理论研究和工程实践非常广泛，有三种比较常见的PID控制算法，分别是：位置式算法、增量式算法和积分分离算法。本设计采用积分分离算法，要求温度可以设置在15℃到80℃之间，控制精度±0.5℃。

1 系统的硬件架构设计

1.1 电源压降电路

本系统电源电路采用TI公司的升降压开关稳压器MC33063芯片，它具有宽电压3V至40V输入，可调输出电压1.25V至40V，输出开关电流最高达到1.5A。根据MC33063芯片手册Vout=1.25*（1+（R2/R1）），将R1=1.2K，R2=3.6K，可得出Vout=5V。

1.2 温度采集电路

温度采集电路是采用U.S.Sensor公司生产的热敏电阻KS103J2做为温度传感器PT4，与电阻R74串联构成一个分压电阻电路，分压电阻的计算公式为Uo=（PT4/（R74+PT4））/Ui。输出电压Uo通过LMP2012A放大信号作用，将电压放大了3倍，其放大倍数是由R73跟R67决定的，等同于公式（R73+R67）/R73=3，然后由ADS8325进行16位AD转换得到电压Vad，此时Uo=（5*Vad）/（65535*3），设R74=75K，Ui=5V，将Uo、R74、Ui代入分压电阻计算公式，可得出热敏电阻PT4此时的阻值，然后进行查表，可得出此时的温度，如图1所示。

1.3 温控电路

温控电路如图2所示。74HC08M是一款高速CMOS逻辑四路2输入与门功能芯片。LTC1693_2是一款高速双路N沟道MOSFET驱动器。IRF4905是P沟道的场效应管，与N沟道的场效应管IRF2804组成一个H桥电路，并由两片LTC1693_2芯片控制。

PE3_PWM为单片机STC15F2K60S2的PWM输出引脚，当PE3_PWM为高电平时，设置PF0为高电平，PF1为低电平，此时Q2与Q3导通，Q1与Q4截止，CON1_1与+12V相连，CON1_2与地相连;设置PF0为低电平，PF1为高电平，此时Q1与Q4导通，Q2与Q3截止，CON1_1与地相连，CON1_2与+12V相连。当PE3_PWM为低电平时，Q1、Q2、Q3、Q4都截止，CON1_1与CON1_2处于悬空状态。通过CON1_1与CON1_2的电压切换，实现对半导体制冷器的制热、制冷或关闭的控制。

2 PID算法计算控制

PID的控制流程是通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例P、积分I、微分D三个环节的加和：

其控制公式为：

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为微分时间常量，e（t）为系统偏差信号，u（x）为控制器输出信号。

其流程图如图3所示。

其中，PID的参数包括：设定温度值、当前温度值、偏差值、上一个偏差值、最上前的偏差值、比例系数、积分系数、微分系数。

3 结语

PID算法具有響应速度快，调节动作迅速，消除余差，又可以通过偏差的信号，趋势提前动作。控制器通过实时计算这种偏差，来调节PWM的占空比，从而实现控温的效果，使温度控制更加稳定精准。

参考文献

[1] 袁希光.传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

[2] 秦沿海.数字PID控制原理及其应用[J].西南民族学院学报，1997：49-54.

[3] 历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报，2005（4）：367-370.