溫度自動控制系統設計

摘要：基于MSP430系統平臺，利用PID控制算法搭建了一個溫度自動控制系統。系統包括溫度采集、PID算法功率控制、人機交互等模塊。系統采用數字式溫度傳感器精確測量溫度值，430單片機用來實現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節功率。能實時監測溫度值，測量溫度范圍廣、分辨率高，調節溫度迅速，控制溫度實時精準、波動小，溫度值顯示準確穩定。關鍵詞：數字溫度傳感器；PID算法；雙向可控硅；光電耦合器；人機交互 調溫設備如冰箱、冰柜、空調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，模擬調溫設備在日常生活中的運作，深入探討其工作原理及可優化潛力。1 系統組成 本系統以MSP430系統板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調溫、人機交互等模塊。其采用數字式溫度傳感器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位數據寬度，數據處理更有效。它的集成調試環境Embedded Workbench提供了良好的C語言開發平臺。 MSP430F449的定時器A和定時器B都可以實現PWM：當定時器工作在PWM波產生模式，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。并且片內集成段式液晶驅動模塊，便于顯示溫度值。3 PID控制算法原理3．1 PID控制系統筒介 PID控制系統如圖2所示，D(s)完成PID控制規律，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種基本控制規律，通過改變調節器參數來實現控制，其基本輸入輸出關系為： 實際應用中，可以根據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參數控制效果分析 PID控制的3基本參數為KP、KI、KD，這3項參數的實際控制作用為： 比例碉節參數(KP) 按比例反映系統的偏差。增大KP，系統的反應變靈敏、速度加快、穩態誤差減小，但振蕩次數也會加多、調節時間加長。在該反饋環中，該值主要影響速度。 積分調節參數(KI) 消除系統靜態(穩態)誤差，提高系統的控制精度。積分調節會使系統的穩定性下降，動態響應變慢，超調加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結合作用。 微分調節參數(KD) 反映系統偏差信號的變化率，可以預見偏差的變化趨勢，產生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統的動態跟蹤性能，減小超調量，但對噪聲干擾有放大作用。過強的微分調節會使系統劇烈震蕩，對抗干擾不利。 常規的PID控制系統中，減少超調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，這也是常規PID控制中經常遇到的難題。所以在該系統中，對積分參數做了分段處理，已達到理想的效果。

關鍵詞： 設計 控制系統 自動 溫度