基于ARM的温度控制系统的设计

1 引言

处在温差条件下的矿物，对外表现为温差热电势E，温差一定时，E达到一平衡值。E除以温差得到的就是矿物的热电系数，它能够灵敏的反映矿物成分和晶体结构的某些细微差异，在金矿找矿和矿床评价方面具有极高的应用价值。用来测量矿物热电性的热电系数测量仪（热电仪），在市场上并没有现成的产品，需要根据需求自行开发。其中一项关键技术就是将温度精确控制在设定值，为半导体矿物创造恒定的温差条件。本文所设计的温度控制系统就是来解决这一问题。

温度控制系统是一种典型的过程控制，与其它控制系统相比，温度控制系统有其特殊性^[1]。例如，对机械系统或机电系统，用线性定常集中参数的动力学微分方程来描述，通常不会带来过大的误差。然而用同样的方法来处理温度过程显然不能令人满意，因为热能的传递是以场的方式进行的，所以它具有明显的非线性、时变性、分布性以及时间滞后。若用解析的方法为它建模，其结果不是过于复杂，就是在模型简化过程中，失去某些最本质的因素，使模型和对象间产生过大的偏差。因此，对温度系统的建模，通常用经验建模，或经验与理论分析相结合的建模。

本文介绍的温度控制系统，通过改进的PID控制算法，结合硬件ARM7内核的S3C44B0微处理器，由传感器PT100获取温度信号，通过自整定获取最适合系统的实时控制参数，实现对所需温度的精确控制。系统包括电加热器、控制器和温度传感器及变换器三部分，构成闭环控制回路。这种主动热控制的特点在于可适时调节被控对象的热传递效率，对外部变化反应灵敏，温度调节精度高。

2 系统设计

2.1 总体设计

该温度控制系统要求实现对设定温度的实时控制，操作人员可以通过键盘设定目标控制温度，通过单片机的逻辑程序控制，实现温度的高精度控制。整个控制系统的组成主要分为三部分，即三星公司生产的S3C44B0X单片机所构成的单片机控制系统；由Pt100热电阻、温度补偿，运算放大电路构成的温度检测通道；由三极管运放电路、固态继电器和外部加热器构成的输出控制通道。其中，单片机控制系统是整个系统的控制中心，所有的数据运算、处理和交换功能都是利用单片机的软件来实现。

工作时，设定温度由操作人员通过键盘完成，并通过LCD显示设定温度值；由Pt100热电阻检测控制对象实际温度值，经过RWB温度变送器和放大电路，将温度信号送入S3C44B0的A/D端口，经过固定公式换算得出实际温度并实时显示。程序控制系统将实际温度值与系统设定温度值进行比较，按照自整定PID控制算法进行运算，确定下一时间单元输出PWM信号占空比，以控制固态继电器的导通时间，从而控制外部加热器的平均输出功率，实现温度控制。图1是系统的整体设计方案。

图1 温控系统原理图                              

   图2 控制系统电源电路

2.2 S3C44B0X片上资源 ^[2]

S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI内核的32位RISC结构的CPU，是一款高性价比微处理器。其丰富的片上资源充分保证了本系统的实现：2.5V供电的ARM7TDMI内核上增加8kB的Cache；外部扩充存储器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片选逻辑）；LCD控制器（最大支持256色的DSTN）并带有一个LCD专用DMA通道； 2个带有握手协议的UART，1个SIO； 5个PWM定时器及1个内部定时器；看门狗定时器；71个通用可编程I/O口，8个外部中断源；多种功耗控制模式；8路10 位ADC； PLL时钟发生器等。

2.3 系统的实现

整个系统的硬件设计主要分为五部分，即电源电路部分、键盘电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。系统需要三种不同电压，分别是外围的5.0V、ARM内核2.5V以及I/O3.3V^[3]，由交流220V转直流7.5V变压器供电，设计电源电路如图2所示。

键盘电路完成系统的各项功能参数的设置，包括设定温度值、仪器的工作模式、仪表基本参数如初始PID参数等。键盘响应电路只有当检测到管脚电平到达或者低于一个电平数值的时候才认同是有键被按下，并通过延时处理程序，即当程序通过施密特触发检测到有按键落下后仍要经过一个延时再进行判断，只有确定仍然处于按下状态时才认定按键落下，进而跳转至相应的按键处理程序，并在处理程序中判断按键是否弹起，保证了每一次按键的有效性和准确性。S3C44B0自带8路10位A/D，所以省去了A/D转化电路，可以直接读取放大后的信号并通过固定公式计算出实际温度值，将此温度值与设定值进行比较，经过PID运算，调整CPU通过I/O口PE5(PE3~PE7可任选其一)所输出PWM脉冲信号的占空比，从而改变固态继电器的通断时间，由此控制电热丝的导通比率，从而控制加热器的输出功率，实现温度调节、控制。

系统的显示采用LCD，用来显示温度值、工作模式、及矿物热电系数读数等。设计液晶显示器和控制电路时，必须提供电源驱动、偏压驱动以及LCD显示控制器。由于S3C44B0X本身自带LCD控制器，所以控制电路的设计可以省去显示控制电路，只需进行电源驱动和偏压驱动的电路设计。本系统选用的液晶屏为GPG1624UWE1单色16级灰度的2.7寸液晶屏，与S3C44B0X采用4位单扫描方式连接。此液晶屏的驱动电源是22.6V，这里采用MC34063A电源管理模块，通过R8调节将5V的电压升至22.6V以提供液晶显示屏的驱动电源，如图3所示；偏压电源由系统升压后的电源分压得到，LM324用来稳定电压、增强带载能力，如图4所示。

  图3 LCD驱动电源电路                          

 图4 LCD偏压电源电路

3 PID自整定算法原理和实现

3.1 PID控制器

PID 控制器是一种比例、积分、微分并联负反馈控制器，是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值 y(t) 的差值构成控制偏差 e(t)。                  

PID 的控制规律为:                (1)

式中: —比例系数；T_I —积分时间常数；T_D —微分时间常数。

3.2 归一参数整定法

在微处理器S3C44B0为硬件核心的控制系统中，选择合适的采样周期，对输入输出采样，得到离散时间控制系统。在离散时间控制系统中，PID 控制器用差分方程表示为：

                             (2)

式中：T 为采样周期， ， 。u(k)与u(k-1)相减得增量式 PID 控制算法的输出增量为： 

               (3)

 (3) 式又可写为：         (4)

根据 Ziegler-Nichle 条件^[3]，令 。

式中: T_k 为临界振荡周期。代入（4）可得：             (5)

这就是扩充临界比例整定法（归一参数整定法）只需整定一个参数，适合于计算机自整定。

3.3 整定准则和方法

该方法采用时间乘绝对误差积分准则（ITAE 准则）：ITAE =       (6)

当ITAE取最小值时，控制系统为最佳状态。它具有对单位阶跃响应的初始误差考虑少，着重权衡瞬态响应后期出现的误差，因此要寻求其最小值。计算ITAE最小值可等效于求ITAE^*最小值： ITAE^* =              (7)

每次计算 的值，与上次得到的 比较，根据 的变化趋势对 PID 算式中的参数K_P进行修正，N可取5～10，每隔N个采样周期按修正公式对K_P进行一次修正。

4结论

实验发现：此温度控制系统达到稳定需要一定的时间；环境温度对稳定过程有轻微的影响，但对精度几乎没有影响；而参数N(每N个周期修正一次K_P)的选取，对精度具有决定性的作用。热电仪的使用特性决定了最常用的温度是50℃左右，实验中当选择控制温度为45℃时，经过约12min系统趋于稳定，其中当N取12时，稳定后温度偏差达到±2℃，当N取5时，温度偏差为±0.3℃，相对误差0.7％达到了较高的控制精度，完全符合热电仪温度控制系统的要求。在一定范围内，随着N取值的减小，控制精度在提高。经过调试，在热电仪的实际应用中N取5。

本文所设计的温度控制系统通过合理地搭建于ARM嵌入式平台，采用PID自整定算法，与常规PID控制算法比较，使被控对象的温度波动大幅度减小，具有响应时间短、超调量小、控制精度高、稳定性好、智能化等优点。在进行软硬件调试的基础上，应用于热电系数测量仪中，经测试，此控制系统工作稳定可靠，满足了系统温度控制精度要求，具有较高的实用价值。本文作者创新点：在软硬件实现并满足需求的基础上给出了详细的理论依据，理论和实际应用达到了很好的结合，为同类系统的升级、改进打下了良好的基础。

参考文献：

[1] 卢灵，高岩. 基于S3C44B0的温度控制系统[J] . 微计算机信息，2006，5-2：113-115

[2]SamsungElectronics.S3C44B0XUserManual.［EB/OL］．http://www.samsung.com，2000.4.13/2005.10.20

[3] 谢新民，丁锋. 自适应控制系统[M].北京：清华大学出版社，2002年7月

[4] 李小帆，姚根和. 高精度温度控制技术[J].无线电技术，2005年，第00期