基于數字PID算法的液晶屏加熱控制系統

章壯源

南京信為峰光電科技有限公司（江蘇 南京 210001）

0 引言

數字PID控制即計算機或微處理器將模擬PID控制規律進行適當變換后，利用軟件程序實現PID控制和校正。數字PID控制算法又分為位置式PID算法和增量式PID控制算法，文章采用增量式控制算法。和模擬PID控制電路相比，數字PID控制具有成本低、控制靈活等特點[1]。

1 微處理器

文章研究的加熱系統的微處理器采用了MICROCHIP的PIC16f18344。該微處理器自帶256個字節的EEPROM，可以保存通過串口發送的新工作參數或PID調節參數，工業級的工作溫度范圍默認為-40～85 ℃，自帶內部晶振，最大支持32 MHz。而且大部分指令都是單周期指令，內部集成了基準電壓源，AD采樣時無須另外增加基準電壓源，且帶PWM功能、串口通信功能，外設豐富，功耗低，抗干擾能力強，具有外設引腳選擇功能，可以通過軟件將數字外設直接設置到需要的任何IO口上[2]。該微處理器完全滿足溫度采樣及數字PID算法的資源要求。另外，Microchip公司提供的MPLABX編譯環境支持C語言和匯編，同時還支持圖形化編程，降低了軟件開發的難度，提高了開發效率。

2 溫度監控

該系統采用了溫度傳感器DS18B20為測溫器件。該傳感器通過單總線接口進行通信，無須外圍器件，供電電壓范圍為2.5～5.5 V，測量溫度范圍為-55～125 ℃，直接安裝在液晶屏側邊監測環境溫度。通過數字信號讀取溫度傳感器內的溫度值，可以避免使用熱敏電阻時因傳輸距離遠或因外界電磁干擾而產生誤差[3]。

3 加熱組件

在考慮顯示效果和加熱效率的情況下，一般選擇ITO玻璃作為加熱部件。ITO玻璃具有良好的透光性和導電性能，可以直接放在液晶屏下加熱而不會影響液晶屏的光學效果及顯示質量。最大加熱功率的計算公式為

式中：Q為加熱的功率，W；m為顯示屏及ITO玻璃模塊質量，kg；c為TFT比熱容，約750 J/（kg·℃）；△T為設定的恒定溫度值和最低工作溫度的差，℃；Tim為從最低工作溫度加熱到設定的恒定溫度值需要的時間，s；n為顯示屏熱利用系數，根據ITO與顯示屏距離調整，距離為0時（緊貼），n=70%～90%；距離≥0.2 mm時，n=50%～70%，該項目設計取n=85%；k為加熱期間散熱系數，根據加熱功率大小及實際時間長短，試驗測試為1.2～1.5，取k=1.4。

加熱玻璃制作方法如圖1所示。從相對的玻璃邊緣用銅箔或相應的導電材料各引出一個電極，其在電路上可等效于電阻，阻值計算公式為

式中：Rs為方阻，Ω；L為長度，m；W為寬度，m。

圖1 加熱玻璃示意圖

4 加熱控制電路設計

該系統采用半橋式驅動電路，上橋采用一個P-MOSFET作為加熱玻璃電源總開關，控制加熱玻璃的總供電；下橋采用了一個N-MOSFET串聯一個電流取樣電阻接地，形成回路。微處理器通過AD功能讀取電流取樣電阻分壓值，然后計算出當前加熱電路中的電流。這樣可以及時對過流進行調節控制，通過PWM方式驅動N-MOSFET控制加熱功率的輸出，其電路控制原理框圖如圖2所示[4-6]。

5 PID算法

該系統軟件主要采用數字PID算法。PID控制是一種線性控制，其根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差，公式為e(t)=r(t)-c(t)，同時將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構成控制量，控制被控對象，故稱PID控制。其控制規律公式為

圖2 電路控制原理框圖

式中：Kp為比例常數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；u(t)為PID控制器的輸出信號。

PID各環節的作用如下：

（1）比例環節。即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減小誤差。當偏差e=0時，控制作用也為0。因此，比例控制基于偏差進行調節，即有差調節。（2）積分環節。能記憶誤差，主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti。Ti越大，積分作用越弱；反之，則越強。（3）微分環節。能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

6 結束語

經過產品驗證，通過微處理器可以很方便地實現數字PID控制，而且程序簡單，參數調節靈活方便，配合加熱控制電路、溫度傳感器，可以形成一個閉環控制系統。采用PID算法控制的加熱控制系統和不采用PID算法的加熱控制系統相比具有以下優點：

（1）能確保不會發生過熱現象，不會導致液晶屏內部的材料或部件損壞或失效；

（2）能精確控制環境溫度，升溫和降溫誤差范圍小于±1 ℃，能很好地保證液晶屏顯示質量的一致性；

（3）采用PID算法的加熱系統能更有效地利用加熱電源，減少系統的功耗，使液晶屏應用的范圍更廣。