溫度自動控制系統(tǒng)設計

摘要：基于MSP430系統(tǒng)平臺，利用PID控制算法搭建了一個溫度自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度采集、PID算法功率控制、人機交互等模塊。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器精確測量溫度值，430單片機用來實現(xiàn)PID算法及溫度設定與顯示等；雙向可控硅光電耦合器用于調(diào)節(jié)功率。能實時監(jiān)測溫度值，測量溫度范圍廣、分辨率高，調(diào)節(jié)溫度迅速，控制溫度實時精準、波動小，溫度值顯示準確穩(wěn)定。關鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；PID算法；雙向可控硅；光電耦合器；人機交互 調(diào)溫設備如冰箱、冰柜、空調(diào)已廣泛地走進大眾家庭，這些設備帶給了人們更多的舒適，人們也越來越依賴它們。為此，我們小組搭建了一個溫度自動控制系統(tǒng)，模擬調(diào)溫設備在日常生活中的運作，深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。1 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)以MSP430系統(tǒng)板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調(diào)溫、人機交互等模塊。其采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件，在通用定時器B周期中斷的控制下，低功耗單片機MSP430F449通過其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進行加熱或制冷，輸出的PWM波驅(qū)動功率MOSFET IRF540，從而達到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 MSP430F449簡介 MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，同時集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點：16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時鐘能夠降低功耗，多總線能夠降低噪聲；16位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更有效。它的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語言開發(fā)平臺。 MSP430F449的定時器A和定時器B都可以實現(xiàn)PWM：當定時器工作在PWM波產(chǎn)生模式，就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用另外寄存器控制占空比，生成PWM波方便。并且片內(nèi)集成段式液晶驅(qū)動模塊，便于顯示溫度值。3 PID控制算法原理3．1 PID控制系統(tǒng)筒介 PID控制系統(tǒng)如圖2所示，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構成控制量u(t)，稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡稱PID控制。

PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律，通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來實現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關系為： 實際應用中，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。3．2 PID參數(shù)控制效果分析 PID控制的3基本參數(shù)為KP、KI、KD，這3項參數(shù)的實際控制作用為： 比例碉節(jié)參數(shù)(KP) 按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大KP，系統(tǒng)的反應變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會加多、調(diào)節(jié)時間加長。在該反饋環(huán)中，該值主要影響速度。 積分調(diào)節(jié)參數(shù)(KI) 消除系統(tǒng)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。 微分調(diào)節(jié)參數(shù)(KD) 反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，可以預見偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)劇烈震蕩，對抗干擾不利。 常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中，對積分參數(shù)做了分段處理，已達到理想的效果。

關鍵詞： 設計 控制系統(tǒng) 自動 溫度