基于模糊PID控制的鋁基板恒溫加熱臺設計與實現

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0146-04

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Abstract:Inthefieldofmodemindustrialcontrol，constanttemperatureheatingtableshaveatractedmuchatentiondueto theirexceletfunctionsandwideaplications.Inordertomeetthetechnicalrequirementsofrapidheatingandconstant temperatureoftheheating table，thispaperdesignsanaluminumsubstrateconstanttemperature heating tablebasedonfuzzyPID control.TheArduinoNanomicrocontrllerisusedasthecontrolchip，withaworkingvoltageof24V.Athermistorisusedt obtainthetemperatureoftheheatingtable，andthepoweroftheheatingresistoriscontroledbychangingthedutycycleof the pulsewidthmodulationoutputthroughthefuzzyIDcontrolertomaintaintemperaturestabilityThroughexperimentandtesting， theheatingtablehasfastresponsivenessstabilty，andanti-interferenceperformance，lowcost，highsensitity，highpractical value，and demonstration and promotion value.

Keywords: heating table； fuzzy PID;Arduino Nano microcontroller; fast response; stability

在現代工業生產和科學研究中，恒溫加熱臺扮演著至關重要的角色，特別是在電子制造、材料處理等領域，對溫度控制的精度和穩定性要求極高。但是，傳統的恒溫加熱臺在穩定性、抗干擾能力方面均不能達到預期，且板面材質略顯粗糙、價格較貴。為解決上述問題，本文采用模糊PID控制算法，可以顯著提升恒溫加熱臺的控制性能。使得設計的加熱臺具有高穩定性、高抗干擾能力且成本較低，可用于電子元器件焊接回流焊，加熱拆卸電子器件等多種不同場合，最高溫度可達 并保持恒定，且在功能上實現多種模式的智能切換，具有極大的使用價值。

1整體設計方案

本項目的整體設計思路是在印刷鋁基板上均勻分布著覆銅走線，利用ArduinoNano單片機實時獲取用戶通過按鍵輸入的期望溫度信息，然后通過溫度采集模塊實時采集溫度信息，將采集到的溫度數據與設定溫度進行比較，計算誤差和誤差變化率。將這些數據應用模糊邏輯規則，調整PID參數并應用到歐姆定律核算實際產生的熱量實現加熱臺的溫度升高并使得溫度得到精準、穩定的控制。本項目設計系統主要包括以下模塊：鋁基板加熱臺、ArduinoNano單片機主控制板、模糊PID控制系統、OLED屏幕可視化模塊和編碼器按鍵輸入模塊等。單片機控制板是整個系統的核心大腦，將按鍵輸入和溫度輸人整合后做出處理，通過模糊PID算法合理輸出PWM控制MOS管加熱系統，顯示模塊顯示當前加熱臺溫度及運行模式，結構外觀設計合理便于使用。

系統結構設計本著簡單、經濟、耐用和好看角度出發，采用分層模塊化設計，實物如圖1所示。鋁基板加熱臺置于頂層，固定方式采用2個3M螺絲與螺母（起固定與電氣連接作用）和2個3M銅柱（僅起支撐作用)將鋁基板固定到第一層隔熱支撐板上，同時螺絲與螺母將2個銅套夾于鋁基板導電焊盤與隔熱支撐板導電焊盤之中（銅套中間還襯套有聚四氟乙烯管起絕緣作用），完成電氣連接，如圖2所示。第二層隔熱板通過四根銅柱向上連接第一層隔熱板，向下通過4根銅柱連接控制底板，（前方4根銅柱僅起連接作用，后方4根銅柱還起電氣連接的作用)第一第二隔熱板都采用同一塊PCB只是利用的孔位錯位，節省了成本。OLED顯示液晶屏位于加熱臺正面傾斜 15^° ，便于觀察溫度和運行模式，其右側安裝有編碼器，便于用戶輸入信息，調節溫度和模式的切換。

2 硬件平臺搭建

系統硬件平臺由鋁基板電路和主控制板電路2部分組成，具體如下。

2.1 鋁基板電路

鋁基板是一種以鋁合金為基材的印刷電路板，其電路結構分為3層：銅箔組成的電路層、由特種聚合物填充特種陶瓷構成的絕緣層和金屬鋁層，具有優異的導熱性能，導熱系數大于2.0，非常適配本項目。

為了達到熱面均衡的目，的本項目采用了具有良好的散熱性能單層單面鋁基板，根據歐姆定律可以計算出對應的走線電阻，此方案設計功率為 左右，電壓為24V直流電，根據公式(1)計算得電阻到約等于 2.88Ω （考慮到鋁基板作為發熱元件使用時的工作溫度導致銅箔走線的溫升電阻，為了維持發熱功率實際阻值應略小于 2.88Ω ）

式中： P 表示發熱功率， U 表示輸入電壓， R 表示走線電阻，然后根據電阻公式求出所需的走線數據

R=ρL_s，

式中： R 為電阻， ?_?ρ 為銅的電阻率， L 表示走線長度， s 表示走線的橫截面積。一般PCB生產工藝的銅箔厚度為 0.035mm ，在標準溫度 25^°C 下銅的電阻率約為0.0172μΩ?m_oPCB 走線寬度(W)與長度(L)按實際需求調整。根據以上數據可得

$R { = } \\frac { \\displaystyle \\frac { 0 . 0 1 7 ~ 2 { \imes } L } { 0 . 0 0 0 ~ 0 3 5 { \imes } W } } { \\displaystyle 1 ~ 0 0 0 ~ 0 0 0 } \extmd { ^ \extmd { o } }$

在此項目中鋁基板大小為 10×10cm² ，如圖3所示。在考慮相對均勻分布走線的情況下選擇線寬1mm 的走線， 3050mm 的線長計算電阻約為 1.49± 0.5Ω ，因為PCB生產精度和不同PCB生產廠商生產工藝不同的問題，導致實際PCB走線電阻往往和理論計算值有一定的誤差。

本次項目的鋁基板理論計算走線電阻約為 1.49Ω 實際測量PCB阻值為 2.1Ω ，再考慮到溫升電阻的影響，實際工作在 的鋁基板走線電阻約為 3～4Ω 維持 150W 左右的功率，基本符合要求。

2.2 電路設計

2.2.1 主控芯片

本項目采用的是ArduinoNano單片機為主控芯片，如圖4所示。它具有體積小功能強的特點，是一款基于ATmega328p單片機的Arduino開發板，具有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入引腳，以及 16MHz 晶振。此外，ArduinoNano還支持USB接口，方便與計算機進行通信。

2.2.2 OLED屏幕的可視化

OLED屏幕選用分辨率 128×64 的驅動芯片SSD1306，它是一種廣泛使用的OLED屏幕，能顯示各種字符、圖片等，融合了超低功耗、高對比度、高刷新率等優點。在本項目中使用了SPI協議通信，刷新速度是IIC的5\\~6倍，占用了 D8.D9.D10.D11 和D13端口。

2.2.3編碼器消抖電路及中斷控制電路

在本項目中使用了1個按鍵旋轉編碼器作為用戶輸入，引入了3組電阻與電容作為消抖電路，如圖5所示。由于ATmega328P只有兩路中斷輸入，判斷旋轉方向使用了0號中斷引腳(D2)與B相連接A相與D4(一般IO引腳)連接。中心按鍵使用了1號中斷引腳(D3)。

2.2.4MOS管與柵極驅動電路

加熱電路是純電阻負載，所以加熱驅動電路選用的是NMOS，電路設計如圖6所示，其中，項目參數額定電壓為24V，額定功率為 200W 為考慮到成本與發熱等問題，本項目選用的是IRF3205PBF耐壓 55V 電流 110A 導阻 8mΩ ，為了解決單片機端口驅動能力相對較弱的問題，故在柵極驅動部分采用了一顆單通道高速底側柵極驅動器UCC27517DBVR，相對于傳統的三極管驅動或推挽電路，大大地增加了開關速度減少了開關損耗，確保了MOS能安全穩定的運行。

2.2.5 溫度傳感器電路

溫度傳感器采用的是熱敏電阻，基于本項自最小系統的10位ADC，根據Steinhart-Hart方程計算溫度，可以將精度做到 0.1^qC 以內，完全滿足本項目的使用。

3 軟件設計

本文設計的系統使用的是ArduinoIDE平臺編程軟件，采用Arduino專有的下載軟件燒寫程序，軟件系統整體采用模塊設計，便于維護和瀏覽，系統主要由初始化程序、顯示驅動子程序、模糊PID加熱子程序和按鍵中斷子程序構成。系統運行在單一閉環恒溫模式下，按下啟動按鈕系統才會輸出驅動信號給柵極驅動器以驅動發熱元件，除此之外系統都運行在待機模式（只進行屏幕顯示刷新和接受外部按鍵輸入）。系統啟動后立即進入閉環運作開始模糊PID計算并快速響應達到目標溫度，用戶可以在任何時刻通過外部中斷按鍵隨時調整目標溫度或停止系統的運行。

模糊PID控制由普通PID控制單元和參數自校正單元組成，融合了模糊控制響應速度快和PID高精度控制的雙重優點。具有實現過程如下：按鈕設置的期望溫度與加熱臺實際溫度的溫差和溫差值變化率分別用 E_r 和 E_c 表示，通過預設的模糊規則對控制量實時校正，并將輸出參數 ΔK_p.ΔK_i.ΔK_d 傳送給PID控制器，進而完成參數的自校正。

通過按鈕設置的期望溫度與熱敏電阻采集的溫度進行差值計算得到溫差 E_r 和偏差變化率 E_coE_r 和 E_c 的基本論域分別設定為： E_r∈Y₁=[-3，3] 和 E_c∈Y₂= [-0.2，0.2]，本項目采曲率較為平緩的高斯隸屬函數模糊化處理，經過量化因子 K_E=1，K_E=15 進行比例變換后映射到輸出等級量論域[-3，3]，經過面積重心法進行逆模糊化處理得到的模糊集合 ，具體計算如下

式中： z₀ 為逆模糊化后的準確值， z_i 為模糊等級量論域內的值； u_c(z_i) 為 z_i 的隸屬度。

待其通過逆模糊處理轉換為準確值之后通過比例因子轉換得到 ΔK_p.ΔK_i.ΔK_d 的PID修正參數，根據式(5)即可完成PID參數的調整

式中：式中的 為初始設定量。

4系統測試

完成了硬件焊接、軟件編寫和結構搭建的工作后，開始測試，對加熱效果和長時間運行測試，進行了實際PCB焊接測試和加熱測試。實際測試表明，功能設計合理，整體設計達到預期目的，加熱升溫迅速，從室溫加熱至 僅需要 3.2min ，響應速度比較塊。恒溫保持穩定，溫度誤差 ，耐久測試良好。實際顯示效果如圖7所示。

5 結束語

本項目所設計的恒溫加熱臺融合了現代控制理論和實際工業需求，通過結合模糊PID控制的優勢，實現對鋁基板工作溫度的精準、穩定的控制，具有響應速度快，穩定性好的優點，滿足高精度制造過程中的溫度要求，另外，該項目附加智能溫度控制系統和多種模式切換，具有現實的實用價值。

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