嵌入式PID温控调节系统的设计

摘要：针对无影照明系统中色温控制的难题，设计了一种基于ARM微处理器的嵌入式温度调节器，整个智能温度控制器由微控制器、数字显示模块、温度传感器、PWM加热模块、时钟电路等多个部件组成，设计了其中的PID调节电路、串口通信电路、微控制器外围通信接口、PWM加热控制电路以及软件模块，并搭建起整个软硬件系统。最后进行了实验和验证，结果表明，该嵌入式PID温度控制器能够满足设计要求，具有良好的调节精度，并保持恒温控制特性，可以投入实际应用。

关键词：嵌入式系统；PID；温度控制系统；ARM微处理器

0 引言

温度控制器是一种重要的控制设备，在性能要求敏感的家用电器中，温度控制器是必备的控制系统之一，其在大型工业和日常生活等领域都具有广阔的应用前景。很多应用领域，需要精度较高的恒温控制，例如，根据外界变化，随时调节相应的LED亮度以达到所需色温值，可以实现更好的照明和装饰效果。在温度控制器中引入PID控制可以得到较理想的控制效果，温度波动均可控制在0～125℃之内。该技术已应用于定时控温发酵器、保健垫等产品中，运行良好，获得了良好的社会效益和经济效益。因此，如何在无影照明系统的色温控制中引入PID温度控制系统成为当今研究的课题之一，而且随着现代计算机技术、通信技术、数字化技术的发展，在温度控制系统中引入嵌入式系统已成为一种趋势，它具有扩展性强，集成度高，控制精确等优点。

1 嵌入式温控系统概述

1．1 嵌入式概述

从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软件硬件于一体的，可以独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统更像是一个“可编程”的电子元器件；从功能上看，它是对执行对象进行精确控制，使其具有“智能”的控制器。

嵌入式系统是主要完成信号控制的功能，体积小，结构紧凑，可作为一个部件嵌入所控制的装置中。它提供用户接口，管理信息的输入输出，监控设备工作，使设备及应用产品有较高智能和性价比。根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是控制监视或辅助设备机器或工厂运行的装置。可以看出该定义主要是从应用方面考虑的。嵌入式系统与通用计算机的最主要区别也就在于应用目的不同，不管是在硬件还是软件方面，每一套嵌入式系统都是针对不同应用场合或为了特定功能而“量身定做”的，需要考虑更多的是空间成本等因素。

嵌入式系统的专用性强、实时性与可靠性高、可裁剪性好、功耗低。采用基于嵌入式技术实现的温度控制器，其扩展容易、功能强大，不仅能在硬件结构上简化系统，还可以提高性能，进而可以降低系统的成本以便更加灵活地部署应用，嵌入式是温度调节控制器的发展方向。

1．2 PID调节原理

比例、积分、微分控制器是在工程实际中应用最为广泛的调节器，简称PID调节器，PID控制于20世纪50年代出现，成为工业控制的主要技术之一，主要因为其结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便等优点。

2 系统设计

2．1 硬件总体设计

本文设计的嵌入式ARM温度调节器主要有以下几个模块构成：显示模块，温度传感器，时钟电路模块，报警模块，ARM核S3C2440，PID控制模块，PWM加热控制摸了，以及复位电路。系统的总体硬件设计如图1所示。

2．2 PWM加热模块设计

PWM加热模块由3524芯片加一些外围元器件组成。矩形波由3524芯片内部振荡器产生，其频率为：

f≈1．30／(RT-CT)      (1)

式中电位器RT用于调整频率大小，脉冲宽度调制器由3524芯片内部的差动放大器、比较器、振荡器等组成。其输出的矩形波占空比由差动放大器输出电压控制。

2．3 PID电路

设计PID调节器的目的是调节控制对象的实际值与新的设定值相对应，可以减少或消除干扰量的影响。在自动控制领域，由于控制的稳定性和可靠性等要求，模拟PID控制技术简单可靠、成本较低、应用广泛成熟。图2为PID调节器的组成框图。

在控制单元内输入信号Vi经PI，PD电路进行PID运算得到Vo。

PID调节器的工作原理为：Vi为温度传感器检测放大处理后的信号与设定信号进行比较后的偏差量，调节器对偏差量进行比例、积分、微分运算，从而输出适当的控制信号Vo给下一级电路，促使测量值信号恢复到给定值，达到自动控制的效果。调节器的3个参数(P，I，D)独立可调，在实际应用中采用工程整定的方法确定P，I，D参数．该方法直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

2．4 软件设计

软件模块在温度控制调节系统中非常重要，本文中由于软件系统比较众多，所以采用模块化设计方案，即整个软件由许多独立的小软件模块构成，小模块之间通过特定的软件接口进行连接和通信，按功能形成模块化结构。它的主要工作流程图如图3所示。

首先进行控制器参数初始化，然后读取温度的设定值，如果成功获取则控制PWM加热模块进行执行；温度传感器模块获取实际温度与设定值进行比较，如果相同则结束；不同则通过PID控制来调节加热模块，直至相同。

3 实验与验证

根据硬件设计总体框图1，把各功能块连接起来，将软件下载至ARM系统中，将温度传感器DS18B20通过串行接口与ARM控制器相连，搭建出实验环境进行实验验证。当设定温度为50 ℃时，其运行结果如图4所示。

当设定温度为90 ℃时，其运行结果如图5所示。

4 结语

本文设计了基于ARM的PID温度控制器，采用DS18B20作为温度传感器，用串口与微处理器进行通信，微处理器采用ARM S3C2440，加热模块采用PWM方式，给出了总体硬件电路和软件工作流程，最后进行了实验和验证，结果表明该控制器具有较高的调节精度，可用于工业现场。