基于ARM的溫度控制系統(tǒng)的設計
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關鍵詞：ARM；溫度控制；PID；自整定
Abstract: A temperature control system is designed, which is based on the S3C44B0 of the Advanced RISC Machine (ARM) produced by the Samsung. Using Pt100 to measure the temperature, the real value is gotten through RWB temperature converter and A/D transformation and displayed by LCD meanwhile. The system is under the closed loop control with the heating circuit relay’s opening or closure which is decided by the PWM. The system component principle and the flow realization is introduced, some application circuit is provided, emphasize the PID self-turning theory and method. The temperature control system is designed for the thermoelectricity instrument. The experimental results show that it is safe and reliable, and meet the demand of the thermoelectricity instrument.
Key words: advanced RISC machine; PID; temperature control; self-turning
1 引言
處在溫差條件下的礦物，對外表現(xiàn)為溫差熱電勢E，溫差一定時，E達到一平衡值。E除以溫差得到的就是礦物的熱電系數(shù)，它能夠靈敏的反映礦物成分和晶體結構的某些細微差異，在金礦找礦和礦床評價方面具有極高的應用價值。用來測量礦物熱電性的熱電系數(shù)測量儀（熱電儀），在市場上并沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，需要根據(jù)需求自行開發(fā)。其中一項關鍵技術就是將溫度精確控制在設定值，為半導體礦物創(chuàng)造恒定的溫差條件。本文所設計的溫度控制系統(tǒng)就是來解決這一問題。
溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制，與其它控制系統(tǒng)相比，溫度控制系統(tǒng)有其特殊性[1]。例如，對機械系統(tǒng)或機電系統(tǒng)，用線性定常集中參數(shù)的動力學微分方程來描述，通常不會帶來過大的誤差。然而用同樣的方法來處理溫度過程顯然不能令人滿意，因為熱能的傳遞是以場的方式進行的，所以它具有明顯的非線性、時變性、分布性以及時間滯后。若用解析的方法為它建模，其結果不是過于復雜，就是在模型簡化過程中，失去某些最本質的因素，使模型和對象間產(chǎn)生過大的偏差。因此，對溫度系統(tǒng)的建模，通常用經(jīng)驗建模，或經(jīng)驗與理論分析相結合的建模。
本文介紹的溫度控制系統(tǒng)，通過改進的PID控制算法，結合硬件ARM7內(nèi)核的S3C44B0微處理器，由傳感器PT100獲取溫度信號，通過自整定獲取最適合系統(tǒng)的實時控制參數(shù)，實現(xiàn)對所需溫度的精確控制。系統(tǒng)包括電加熱器、控制器和溫度傳感器及變換器三部分，構成閉環(huán)控制回路。這種主動熱控制的特點在于可適時調節(jié)被控對象的熱傳遞效率，對外部變化反應靈敏，溫度調節(jié)精度高。
2 系統(tǒng)設計
2.1 總體設計
該溫度控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)對設定溫度的實時控制，操作人員可以通過鍵盤設定目標控制溫度，通過單片機的邏輯程序控制，實現(xiàn)溫度的高精度控制。整個控制系統(tǒng)的組成主要分為三部分，即三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X單片機所構成的單片機控制系統(tǒng)；由Pt100熱電阻、溫度補償，運算放大電路構成的溫度檢測通道；由三極管運放電路、固態(tài)繼電器和外部加熱器構成的輸出控制通道。其中，單片機控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制中心，所有的數(shù)據(jù)運算、處理和交換功能都是利用單片機的軟件來實現(xiàn)。
工作時，設定溫度由操作人員通過鍵盤完成，并通過LCD顯示設定溫度值；由Pt100熱電阻檢測控制對象實際溫度值，經(jīng)過RWB溫度變送器和放大電路，將溫度信號送入S3C44B0的A/D端口，經(jīng)過固定公式換算得出實際溫度并實時顯示。程序控制系統(tǒng)將實際溫度值與系統(tǒng)設定溫度值進行比較，按照自整定PID控制算法進行運算，確定下一時間單元輸出PWM信號占空比，以控制固態(tài)繼電器的導通時間，從而控制外部加熱器的平均輸出功率，實現(xiàn)溫度控制。圖1是系統(tǒng)的整體設計方案。
圖1 溫控系統(tǒng)原理圖
圖2 控制系統(tǒng)電源電路
2.2 S3C44B0X片上資源 [2]
S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC結構的CPU，是一款高性價比微處理器。其豐富的片上資源充分保證了本系統(tǒng)的實現(xiàn)：2.5V供電的ARM7TDMI內(nèi)核上增加8kB的Cache；外部擴充存儲器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片選邏輯）；LCD控制器（最大支持256色的DSTN）并帶有一個LCD專用DMA通道； 2個帶有握手協(xié)議的UART，1個SIO； 5個PWM定時器及1個內(nèi)部定時器；看門狗定時器；71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源；多種功耗控制模式；8路10 位ADC； PLL時鐘發(fā)生器等。
2.3 系統(tǒng)的實現(xiàn)
整個系統(tǒng)的硬件設計主要分為五部分，即電源電路部分、鍵盤電路部分、檢測電路部分、控制及顯示電路部分以及輸出控制。系統(tǒng)需要三種不同電壓，分別是外圍的5.0V、ARM內(nèi)核2.5V以及I/O3.3V[3]，由交流220V轉直流7.5V變壓器供電，設計電源電路如圖2所示。
鍵盤電路完成系統(tǒng)的各項功能參數(shù)的設置，包括設定溫度值、儀器的工作模式、儀表基本參數(shù)如初始PID參數(shù)等。鍵盤響應電路只有當檢測到管腳電平到達或者低于一個電平數(shù)值的時候才認同是有鍵被按下，并通過延時處理程序，即當程序通過施密特觸發(fā)檢測到有按鍵落下后仍要經(jīng)過一個延時再進行判斷，只有確定仍然處于按下狀態(tài)時才認定按鍵落下，進而跳轉至相應的按鍵處理程序，并在處理程序中判斷按鍵是否彈起，保證了每一次按鍵的有效性和準確性。S3C44B0自帶8路10位A/D，所以省去了A/D轉化電路，可以直接讀取放大后的信號并通過固定公式計算出實際溫度值，將此溫度值與設定值進行比較，經(jīng)過PID運算，調整CPU通過I/O口PE5(PE3~PE7可任選其一)所輸出PWM脈沖信號的占空比，從而改變固態(tài)繼電器的通斷時間，由此控制電熱絲的導通比率，從而控制加熱器的輸出功率，實現(xiàn)溫度調節(jié)、控制。
系統(tǒng)的顯示采用LCD，用來顯示溫度值、工作模式、及礦物熱電系數(shù)讀數(shù)等。設計液晶顯示器和控制電路時，必須提供電源驅動、偏壓驅動以及LCD顯示控制器。由于S3C44B0X本身自帶LCD控制器，所以控制電路的設計可以省去顯示控制電路，只需進行電源驅動和偏壓驅動的電路設計。本系統(tǒng)選用的液晶屏為GPG1624UWE1單色16級灰度的2.7寸液晶屏，與S3C44B0X采用4位單掃描方式連接。此液晶屏的驅動電源是22.6V，這里采用MC34063A電源管理模塊，通過R8調節(jié)將5V的電壓升至22.6V以提供液晶顯示屏的驅動電源，如圖3所示；偏壓電源由系統(tǒng)升壓后的電源分壓得到，LM324用來穩(wěn)定電壓、增強帶載能力，如圖4所示。
圖3 LCD驅動電源電路
圖4 LCD偏壓電源電路
3 PID自整定算法原理和實現(xiàn)
3.1 PID控制器
PID 控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)負反饋控制器，是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值 y(t) 的差值構成控制偏差 e(t)。
PID 的控制規(guī)律為:
(1)
式中: 
―比例系數(shù)；TI ―積分時間常數(shù)；TD ―微分時間常數(shù)。
3.2 歸一參數(shù)整定法
在微處理器S3C44B0為硬件核心的控制系統(tǒng)中，選擇合適的采樣周期，對輸入輸出采樣，得到離散時間控制系統(tǒng)。在離散時間控制系統(tǒng)中，PID 控制器用差分方程表示為：
(2)
式中：T 為采樣周期，
，
。u(k)與u(k-1)相減得增量式 PID 控制算法的輸出增量為：
(3)
(3) 式又可寫為： 
(4)
根據(jù) Ziegler-Nichle 條件[3]，令 
。
式中: Tk 為臨界振蕩周期。代入（4）可得：
(5)
這就是擴充臨界比例整定法（歸一參數(shù)整定法）只需整定一個參數(shù)，適合于計算機自整定。
3.3 整定準則和方法
該方法采用時間乘絕對誤差積分準則（ITAE 準則）：ITAE = 
(6)
當ITAE取最小值時，控制系統(tǒng)為最佳狀態(tài)。它具有對單位階躍響應的初始誤差考慮少，著重權衡瞬態(tài)響應后期出現(xiàn)的誤差，因此要尋求其最小值。計算ITAE最小值可等效于求ITAE*最小值： ITAE* = 
(7)
每次計算 的值，與上次得到的 比較，根據(jù) 的變化趨勢對 PID 算式中的參數(shù)KP進行修正，N可取5～10，每隔N個采樣周期按修正公式對KP進行一次修正。
4結論
實驗發(fā)現(xiàn)：此溫度控制系統(tǒng)達到穩(wěn)定需要一定的時間；環(huán)境溫度對穩(wěn)定過程有輕微的影響，但對精度幾乎沒有影響；而參數(shù)N(每N個周期修正一次KP)的選取，對精度具有決定性的作用。熱電儀的使用特性決定了最常用的溫度是50℃左右，實驗中當選擇控制溫度為45℃時，經(jīng)過約12min系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，其中當N取12時，穩(wěn)定后溫度偏差達到2℃，當N取5時，溫度偏差為0.3℃，相對誤差0.7％達到了較高的控制精度，完全符合熱電儀溫度控制系統(tǒng)的要求。在一定范圍內(nèi)，隨著N取值的減小，控制精度在提高。經(jīng)過調試，在熱電儀的實際應用中N取5。
本文所設計的溫度控制系統(tǒng)通過合理地搭建于ARM嵌入式平臺，采用PID自整定算法，與常規(guī)PID控制算法比較，使被控對象的溫度波動大幅度減小，具有響應時間短、超調量小、控制精度高、穩(wěn)定性好、智能化等優(yōu)點。在進行軟硬件調試的基礎上，應用于熱電系數(shù)測量儀中，經(jīng)測試，此控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足了系統(tǒng)溫度控制精度要求，具有較高的實用價值。本文作者創(chuàng)新點：在軟硬件實現(xiàn)并滿足需求的基礎上給出了詳細的理論依據(jù)，理論和實際應用達到了很好的結合，為同類系統(tǒng)的升級、改進打下了良好的基礎。
參考文獻：
[1] 盧靈，高巖. 基于S3C44B0的溫度控制系統(tǒng)[J] . 微計算機信息，2006，5-2：113-115
[2]SamsungElectronics.S3C44B0XUserManual.［EB/OL］．http://www.samsung.com，2000.4.13/2005.10.20
[3] 謝新民，丁鋒. 自適應控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2002年7月
[4] 李小帆，姚根和. 高精度溫度控制技術[J].無線電技術，2005年，第00期
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