基于PID算法和PWM控制的温控系统设计

 李香宇1，王世功2，王  萌1，张亚周1

 （1．海军航空工程学院，山东烟台264001；2.烟台东方分析仪器有限公司，山东烟台264001）

摘要：介绍了一种基于PID算法和PWM控制的温控系统设计和实现方法，可应用于仪器仪表对温度控制的领域。该系统采用DS18820作为温度传感器，通过单总线直接将采集的数据发送到控制器ATMEGA16A，采用半导体功率器件BTA12驱动加热器。同时，可以通过LED数码管直读显示，上位机通过串口设置温度参数，并实时监控温控系统工作。软件运用PID算法处理得到PWM控制参数，由单片机PWM单元输出PWM控制信号，从而实现温度的闭环控制。实验结果表明，该系统具有结构简单、v向应快、稳定性好、控制精度高的特点，在外界温度变化5℃/h条件下，实现控温精度±0.1℃。

  关键词：DS18 820；单片机；PID；PWM;温控仪

  中图分类号：TP273文章编号：1006 - 2394( 2016) 05 - 0031  - 03

0  引言

 在许多领域中，温度都是一个重要的参数指标。特别是在现代仪器仪表领域，温度成为制约仪器长期稳定性一个非常重要指标，如果温度控制不好，对整个系统的性能会产生严重的影响，因此，设计温度控制系统对仪器仪表的温度进行控制就显得尤其重要。传统的MCS51单片机为核心的温度控制系统，存在硬件电路设计复杂、数据实时处理能力差、温度调节时间长的缺点。采用热电阻和热电偶作为温度传感器的设计，信号处理电路复杂、线性差，需要通过硬件或软件进行校准。本文采用内部集成PWM单元的AVR单片机ATMEGA16A作为主控制器，采用单总线温度传感器DS18 820直接实现温度转换，软件上采用PID算法控制PWM波形来驱动加热单元，该系统响应速度快、精度高、电路简单，完全能够满足高性能仪器仪表的应用要求。

1  系统总体设计

本系统主要由温度采集单元、控制单元、驱动单元、显示单元和串口通信单元组成。采用单总线器件DS18 B20作为温度传感器，可以进行温度信号采集和AD转换，并采用AVR单片机ATMEGA16A作为控制器，控制器内部PID算法处理转换成为PWM控制器的控制参数，并由PWM控制器输出PWM波形，通过BTA12驱动加热器工作。通过74HC373驱动数码管静态显示当前温度，同时，将温度、加热效率参数通过串口通信发送到上位机，通过上位机软件设置温度限值。系统整体框图如图1所示。

2系统硬件设计

 本系统采用ATMEL公司生产的AVR系列单片机ATMEGA16A作为主控制器。ATMEGA16A单片机是高性能RISC结构、低功耗的8位微处理器，其数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。内含可反复编程的Flash程序存储器、SRAM和EEPROM两种数据存储器、定时器计数器、方向可定义的I/O口、同步串行口、异步串行口、A/D及PWM等丰富的内部资源。

 温度采集单元采用单总线集成温度传感器DS18 B20 ,DS18 B20是美国DALLAS半导体公司生产的单线智能数字温度传感器，可把温度信号直接转换为串行数字信号供计算机处理。DS18 B20的测温范围为-55℃~+125℃，固有测温分辨率为0.5℃，最高分辨率可达到0. 062 5℃。DS18 B20将采集到的温度数据转换成9～12位（可编程）的数字量，通过数据线DQ与主控制器ATMEGA16A的PD7连接，进行数据通信。

 驱动单元采用Motorola公司的单片集成晶闸管驱动器件MOC3061驱动双向硅BTA12。MOC3061的1端口与主控制器ATMEGA16A的PD2连接，作为控制端；MOC3061的4端口接双向硅，通过双向硅控制加热器。

串口通信单元采用MAX232CP完成5V的TTL电平与RS-232电平的转换，通过T21和R20分别接到ATMEGA16A的UART端口的发送端和接收端。

3系统软件设计

 采用ATMEL公司的AVR单片机的集成环境汇编及开发调试软件，采用C语言编程。温控系统软件设计主要实现温度采集、PID算法和PWM控制等功能。

3.1  温度采集的实现

 传感器DS18 B20采集温度后，由主控制器AT-MEGA16A来控制DS18 B20完成温度转换。在命令传感器DS18 B20开始温度转换和转换结束后读取温度数据的过程中，都要根据DS18 B20的初始化时序、读时序进行操作。温度采集处理的软件流程图见图2。

3.2 PID算法

 PID数字控制调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的偏差e(t)=r(t)-c(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制量进行控制。其原理如框图3所示。

PID调节器的微分方程为：

式中：K p、T i、TD分别为比例放大系数、积分常数、微分常数。PID计算子程序的主要功能是根据设置的PID参数进行计算。PID计算的子程序如下：

3.3 PWM控制

 本设计中，通过PID算法实现温度误差计算，调整PWM控制参数，实现PWM相应占空比，将主控制器ATMEGA16A的PD2口输出PWM信号，去控制外围加热电路。实现PWM的方式既可以工作在变频方式也可以工作在固定PWM周期方式，本设计采用变频方式来实现。设定固定不变的非加热时间，通过对加热时间的控制从而控制加热的占空比。

4  实验结果与分析

 本系统在密闭环境下进行实验，得到1 h内温度变化趋势图，如图4所示。温度保持在34.8℃~34.9℃，温度控制精度在±0.1℃，说明外界环境变化不大的时候内部温度会保持不变，提高了温度的控制精度和稳定性。由于加热方式采用PWM控制，所以加热时间一般不超过1s，加热时间短不会使加热器温度过高，提高加热器工作寿命。

5结束语

 经过实验论证，该系统响应速度快、精度高、电路简单，完全能够满足高性能仪器仪表的应用要求。