溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于MSP430系統(tǒng)平臺(tái)，利用PID控制算法搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度采集、PID算法功率控制、人機(jī)交互等模塊。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器精確測(cè)量溫度值，430單片機(jī)用來實(shí)現(xiàn)PID算法及溫度設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度值，測(cè)量溫度范圍廣、分辨率高，調(diào)節(jié)溫度迅速，控制溫度實(shí)時(shí)精準(zhǔn)、波動(dòng)小，溫度值顯示準(zhǔn)確穩(wěn)定。
關(guān)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(jī)交互

調(diào)溫設(shè)備如冰箱、冰柜、空調(diào)已廣泛地走進(jìn)大眾家庭，這些設(shè)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(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，模擬調(diào)溫設(shè)備在日常生活中的運(yùn)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(jī)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(shí)器B周期中斷的控制下，低功耗單片機(jī)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(jì)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(duì)控溫對(duì)象進(jìn)行加熱或制冷，輸出的PWM波驅(qū)動(dòng)功率MOSFET IRF540，從而達(dá)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(jiǎn)介
MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號(hào)處理器，同時(shí)集成數(shù)字和模擬電路。其具有特點(diǎn)：16位CPU通過總線連接到存儲(chǔ)器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時(shí)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(tái)。
MSP430F449的定時(shí)器A和定時(shí)器B都可以實(shí)現(xiàn)PWM：當(dāng)定時(shí)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(dòng)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(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u(t)，稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：

實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)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(xiàng)參數(shù)的實(shí)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(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會(huì)加多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。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(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨(dú)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(hào)的變化率，可以預(yù)見偏差的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對(duì)噪聲干擾有放大作用。過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)劇烈震蕩，對(duì)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(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強(qiáng)積分作用時(shí)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(duì)積分參數(shù)做了分段處理，已達(dá)到理想的效果。