基于PID算法溫度控制系統設計

楊偉浩

摘要：本文采用NTC熱敏電阻溫度采集，STC15F2K60S2單片機為主控芯片，以PID為核心算法、PWM控制方式控制半導體制冷片，實現恒溫的溫度控制系統。硬件主要分為電源壓降電路、溫度采集電路、溫控電路等三大部分。

關鍵詞：PID算法;PWM;溫度控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0016-02

0 緒論

目前PID控制的理論研究和工程實踐非常廣泛，有三種比較常見的PID控制算法，分別是：位置式算法、增量式算法和積分分離算法。本設計采用積分分離算法，要求溫度可以設置在15℃到80℃之間，控制精度±0.5℃。

1 系統的硬件架構設計

1.1 電源壓降電路

本系統電源電路采用TI公司的升降壓開關穩壓器MC33063芯片，它具有寬電壓3V至40V輸入，可調輸出電壓1.25V至40V，輸出開關電流最高達到1.5A。根據MC33063芯片手冊Vout=1.25*（1+（R2/R1）），將R1=1.2K，R2=3.6K，可得出Vout=5V。

1.2 溫度采集電路

溫度采集電路是采用U.S.Sensor公司生產的熱敏電阻KS103J2做為溫度傳感器PT4，與電阻R74串聯構成一個分壓電阻電路，分壓電阻的計算公式為Uo=（PT4/（R74+PT4））/Ui。輸出電壓Uo通過LMP2012A放大信號作用，將電壓放大了3倍，其放大倍數是由R73跟R67決定的，等同于公式（R73+R67）/R73=3，然后由ADS8325進行16位AD轉換得到電壓Vad，此時Uo=（5*Vad）/（65535*3），設R74=75K，Ui=5V，將Uo、R74、Ui代入分壓電阻計算公式，可得出熱敏電阻PT4此時的阻值，然后進行查表，可得出此時的溫度，如圖1所示。

1.3 溫控電路

溫控電路如圖2所示。74HC08M是一款高速CMOS邏輯四路2輸入與門功能芯片。LTC1693_2是一款高速雙路N溝道MOSFET驅動器。IRF4905是P溝道的場效應管，與N溝道的場效應管IRF2804組成一個H橋電路，并由兩片LTC1693_2芯片控制。

PE3_PWM為單片機STC15F2K60S2的PWM輸出引腳，當PE3_PWM為高電平時，設置PF0為高電平，PF1為低電平，此時Q2與Q3導通，Q1與Q4截止，CON1_1與+12V相連，CON1_2與地相連;設置PF0為低電平，PF1為高電平，此時Q1與Q4導通，Q2與Q3截止，CON1_1與地相連，CON1_2與+12V相連。當PE3_PWM為低電平時，Q1、Q2、Q3、Q4都截止，CON1_1與CON1_2處于懸空狀態。通過CON1_1與CON1_2的電壓切換，實現對半導體制冷器的制熱、制冷或關閉的控制。

2 PID算法計算控制

PID的控制流程是通過誤差信號控制被控量，而控制器本身就是比例P、積分I、微分D三個環節的加和：

其控制公式為：

其中Kp為比例系數，Ti為積分時間常量，Td為微分時間常量，e（t）為系統偏差信號，u（x）為控制器輸出信號。

其流程圖如圖3所示。

其中，PID的參數包括：設定溫度值、當前溫度值、偏差值、上一個偏差值、最上前的偏差值、比例系數、積分系數、微分系數。

3 結語

PID算法具有響應速度快，調節動作迅速，消除余差，又可以通過偏差的信號，趨勢提前動作。控制器通過實時計算這種偏差，來調節PWM的占空比，從而實現控溫的效果，使溫度控制更加穩定精準。

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