采用PID算法的智能溫度控制器

一、功能說(shuō)明

采用PT100精密測(cè)溫電阻作為溫度傳感器，將其采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行PID控制，生成相應(yīng)的PWM信號(hào)，該信號(hào)被SSR接收并轉(zhuǎn)換為對(duì)發(fā)熱片的輸出。該系統(tǒng)通過(guò)PID輸出的PWM信號(hào)來(lái)精確控制發(fā)熱片的溫度，同時(shí)通過(guò)控制加熱頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)與發(fā)熱片環(huán)境的熱平衡，確保系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。此外，還配備了一個(gè)環(huán)境溫度傳感器，以便在PT100溫度受環(huán)境影響而發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

二、硬件設(shè)計(jì)

2.1 原理框圖

2.2 各功能框圖說(shuō)明

2.2.1 MCU最小系統(tǒng)

該MCU采用了宏晶科技的STC8A8K64D4 LQFP64封裝，以下是其主要特點(diǎn)：

STC8A8K64D4具備內(nèi)置的高精度時(shí)鐘單元和硬件復(fù)位電路，因此在使用時(shí)無(wú)需外部時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，有助于降低成本。

在單片機(jī)電源輸入部分增加一個(gè)100nF的旁路電容，其主要功能包括：

1、濾除電源上的高頻噪聲。

2、儲(chǔ)能，當(dāng)負(fù)載需要瞬時(shí)電流時(shí)，電容率先為其提供電流，減小電源產(chǎn)生的波動(dòng)。

3、給高頻信號(hào)提供最近的低阻抗回流路徑，減少對(duì)其他芯片電源的干擾。

2.2.2 電源電路

電源電路采用220V交流電轉(zhuǎn)5V直流電的電源模塊，或者可以通過(guò)外部適配器直接提供5V直流電。該電源模塊具有低紋波噪聲、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等功能，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電路圖描述如下：

R8 - 壓敏電阻，主要用在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護(hù)后級(jí)敏感元件。

P2 - 220V交流輸入。

P1 - 保險(xiǎn)絲的作用是過(guò)載保護(hù)，當(dāng)電流異常升高到一定程度時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷切斷電流，從而保護(hù)電路中的電線或防止短路引起火災(zāi)。

U8 - 220V交流電轉(zhuǎn)5V直流電的電源模塊。

TV1 - 通過(guò)利用該器件的非線性特性，將過(guò)電壓鉗制到一個(gè)較低的電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

C5/C6 - 主要用于濾除由電源輸出的直流電壓中所含的雜波和噪聲，并將其平滑處理為一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。

F1 - 可以使用0歐姆電阻進(jìn)行短接，或者采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，這是一種具有自恢復(fù)特性、可反復(fù)使用的非線性過(guò)流保護(hù)器件。

2.2.3 按鍵電路

按鍵電路采用點(diǎn)觸按鍵，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，電路會(huì)檢測(cè)到按鍵的接觸，并產(chǎn)生低電平信號(hào)，從而觸發(fā)相應(yīng)的操作。電路圖描述如下：

KEY1/KEY2/KEY3 - 點(diǎn)觸按鍵，點(diǎn)觸按鍵的工作原理：按鈕與觸點(diǎn)機(jī)械作用，按下按鈕，彈簧收縮，觸點(diǎn)接觸導(dǎo)電條，電路接通；松開(kāi)按鈕，彈簧恢復(fù)原狀，觸點(diǎn)離開(kāi)導(dǎo)電條，電路斷開(kāi)。

C7/C8/C9 - 在點(diǎn)觸按鍵上連接一個(gè)下拉電容，其主要作用是消除按鍵抖動(dòng)。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，電容會(huì)首先充電，從而抑制了按鍵的機(jī)械性抖動(dòng)，這樣就能夠確保單片機(jī)程序正確地識(shí)別和分辨當(dāng)前的電平狀態(tài)。

2.2.4 PT100采集電路

PT100鉑電阻溫度傳感器，其阻值隨著溫度的變化而呈現(xiàn)相應(yīng)的變化。為了準(zhǔn)確測(cè)量PT100的阻值，電橋采集電路是必不可少的工具。該電路由四個(gè)電阻組成，其中一個(gè)是PT100，其他三個(gè)電阻則為已知固定電阻。當(dāng)PT100的溫度發(fā)生改變時(shí)，其阻值也會(huì)隨之改變，從而打破了電橋的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致電橋輸出一個(gè)微小的電壓信號(hào)。這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路的放大后，將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。電路圖描述如下：

2.2.5 DS18B20電路

DS18B20電路主要采集環(huán)境溫度，在PT100溫度控制中，環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生影響，因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。有效地消除環(huán)境溫度對(duì)溫度測(cè)量的影響，提高溫度測(cè)量的精度。DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，它可以通過(guò)1-Wire協(xié)議與單片機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。在電路設(shè)計(jì)中，需要將DS18B20連接到單片機(jī)的IO口，并使用電橋采集電路來(lái)測(cè)量溫度電路圖描述如下：

R3 - DS18B20是一款單總線溫度傳感器，其數(shù)據(jù)線采用漏極開(kāi)路方式，因此它只能輸出低電平而無(wú)法輸出高電平。為了保持信號(hào)的穩(wěn)定性，需要借助外部強(qiáng)上拉電阻來(lái)拉高電平。

C4 - 濾波電容

2.2.6 繼電器控制電路

單片機(jī)智能調(diào)控PWM信號(hào)，精細(xì)控制發(fā)熱片溫度，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱頻率，與環(huán)境溫度完美匹配，實(shí)現(xiàn)智能熱平衡。

R1 - 串聯(lián)電阻的作用是限制電流，使得電路中的元器件不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而被損壞。

R5 - 三極管下拉電阻的作用是為了保證三極管在初始狀態(tài)下處于穩(wěn)定關(guān)斷的狀態(tài)。

Q1 - 單片機(jī)GPIO驅(qū)動(dòng)能力有限，繼電器和電磁閥等大功率負(fù)載超出其IO驅(qū)動(dòng)能力。繼電器控制端為電磁線圈（電感），關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生自感電壓易燒壞單片機(jī)，因此需通過(guò)三極管控制繼電器。

D1 - 二極管的作用是吸收繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電壓，防止三極管被高電壓損壞。

C2 -電容在電路中的作用是緩解繼電器線圈電流的突變，避免產(chǎn)生過(guò)高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而保護(hù)電路中的其他元器件免受電壓沖擊。

2.2.7 蜂鳴器電路

蜂鳴器是一種可以發(fā)出聲音的電子元件，通過(guò)PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)聲音的大小。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的控制，我們需要使用三極管。三極管是一種半導(dǎo)體器件，具有電流放大作用，可以將微弱的信號(hào)放大成較大的電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的有效控制。

R2 - 串聯(lián)電阻的作用是限制電流，使得電路中的元器件不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而被損壞。

R7 - 三極管下拉電阻的作用是為了保證三極管在初始狀態(tài)下處于穩(wěn)定關(guān)斷的狀態(tài)。

Q2 - 蜂鳴器的工作電流通常較大，單片機(jī)的I/O口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，但AVR可以驅(qū)動(dòng)小功率蜂鳴器。因此，需要使用三極管來(lái)控制蜂鳴器的通斷。

D1 - 二極管的作用是吸收蜂鳴器斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電壓，防止三極管被高電壓損壞。

C2 -蜂鳴器回路上并聯(lián)電容的作用是為了保護(hù)蜂鳴器，讓其兩端的電壓不能突變，吸收浪涌電壓。

2.2.8 LED電路

R9/R12/R14 - 限流電阻的作用是限制電流，保護(hù)LED不被過(guò)電流損壞。

2.2.9 數(shù)碼管顯示電路

TM1640是一種專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)控制LED（發(fā)光二極管顯示器）的電路，其內(nèi)部集成了MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器以及LED驅(qū)動(dòng)等電路。該電路主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)。從硬件角度來(lái)看，單片機(jī)的GPIO驅(qū)動(dòng)能力相對(duì)有限，而數(shù)碼管需要的驅(qū)動(dòng)電流較大，基本達(dá)到了單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的極限。在軟件方面，數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)需要實(shí)時(shí)掃描，如果直接使用單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要編寫(xiě)較為復(fù)雜的程序，如果程序任務(wù)較多，其他任務(wù)占用時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)碼管不能實(shí)時(shí)掃描，數(shù)碼管容易閃爍。因此，使用TM1640電路可以有效地解決這些問(wèn)題，使得LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和可靠。

R10/R11 - 使用TM1640芯片時(shí)，需要連接CLK和DIN引腳到單片機(jī)的GPIO口，并加上上拉電阻，以確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

C10/C11 - 在TM1640芯片的電源處加上濾波電容，是為了讓電路中的元器件不會(huì)受到電源噪音的影響，這樣可以讓電路更加穩(wěn)定。

三、軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序框圖

3.2 各功能模塊說(shuō)明

3.2.1 主函數(shù)

主函數(shù)采用單片機(jī)時(shí)間片輪詢法的程序架構(gòu)，用于在不使用操作系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行。它的基本原理是利用定時(shí)器中斷來(lái)劃分時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)，通過(guò)任務(wù)標(biāo)志和任務(wù)函數(shù)來(lái)控制任務(wù)的運(yùn)行和切換。

單片機(jī)時(shí)間片輪詢法的主要步驟有：

定義任務(wù)結(jié)構(gòu)體，包含任務(wù)函數(shù)、任務(wù)運(yùn)行標(biāo)志、任務(wù)計(jì)時(shí)器和任務(wù)計(jì)時(shí)器初值等成員。

定義任務(wù)數(shù)組，初始化各個(gè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)體，并指定任務(wù)的運(yùn)行間隔時(shí)間。

編寫(xiě)定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間輪片的功能。在每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中，逐個(gè)檢查任務(wù)的計(jì)時(shí)器是否為零，如果為零，則置任務(wù)運(yùn)行標(biāo)志為1，同時(shí)恢復(fù)計(jì)時(shí)器初值；如果不為零，則計(jì)時(shí)器減一。

編寫(xiě)任務(wù)處理函數(shù)，用于在主循環(huán)中執(zhí)行各個(gè)任務(wù)。在每個(gè)循環(huán)中，逐個(gè)檢查任務(wù)的運(yùn)行標(biāo)志是否為1，如果為1，則調(diào)用任務(wù)函數(shù)，并清除運(yùn)行標(biāo)志。

編寫(xiě)主函數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化和任務(wù)的處理。

時(shí)間片輪詢法流程圖

定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)每間隔1ms中斷一次，在中斷中判斷各個(gè)任務(wù)的時(shí)間是否到0，如果定時(shí)值不為0，定時(shí)器減一，直到為零。為0后定時(shí)器重新賦值間隔時(shí)間，并置任務(wù)執(zhí)行標(biāo)志。

在main函數(shù)里面判斷任務(wù)執(zhí)行標(biāo)志，并執(zhí)行響應(yīng)函數(shù)。

3.2.2 按鍵模塊

機(jī)械式按鍵在按下或釋放時(shí)，會(huì)因機(jī)械彈性作用產(chǎn)生抖動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約為5-10ms。在此期間檢測(cè)按鍵的通與斷可能導(dǎo)致判斷出錯(cuò)，需要采取消抖措施。如下圖，消抖方法分為硬件消抖和軟件消抖，硬件消抖就是在按鍵上并聯(lián)一個(gè)電容，利用電容的充放電特性對(duì)抖動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓毛刺進(jìn)行平滑處理，從而實(shí)現(xiàn)消抖。軟件消抖可以采用延時(shí)或者循環(huán)檢測(cè)的方式去掉后沿抖動(dòng)。

該程序采用狀態(tài)機(jī)方式處理點(diǎn)觸按鍵，根據(jù)不同按鍵狀態(tài)執(zhí)行不同操作，實(shí)現(xiàn)更靈活高效的控制方式。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)可精確處理每個(gè)按鍵動(dòng)作，確保操作準(zhǔn)確可靠。

狀態(tài)機(jī)的四要素

現(xiàn)態(tài)：狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。

觸發(fā)條件：改變當(dāng)前狀態(tài)的發(fā)生條件。

動(dòng)作：狀態(tài)改變產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

次態(tài)：狀態(tài)機(jī)激活觸發(fā)條件后跳轉(zhuǎn)到的下一狀態(tài)。

3.2.3 PT100采集模塊

PT100采集模塊使用了一種高效且可靠的方法來(lái)獲取溫度值。該模塊通過(guò)查表的方式得到實(shí)際溫度值，將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻值，然后根據(jù)這個(gè)電阻值查詢預(yù)先設(shè)定的表格，從而得到準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。這種方法不僅簡(jiǎn)化了處理過(guò)程，而且提高了測(cè)溫的精度和響應(yīng)速度。

3.2.4 PID算法

該程序采用了增量式PID算法進(jìn)行控制。增量式PID算法是一種常用的控制算法，其顯著特點(diǎn)在于將積分環(huán)節(jié)的累積作用進(jìn)行了替換，從而避免了積分環(huán)節(jié)對(duì)計(jì)算性能和存儲(chǔ)空間的過(guò)多占用。該算法根據(jù)當(dāng)前誤差和上一次誤差的差值來(lái)計(jì)算控制量的增量。該算法由三個(gè)組成部分：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前誤差計(jì)算出比例輸出，積分環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前誤差和歷史誤差的累加值計(jì)算出積分輸出，微分環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前誤差和歷史誤差的差值計(jì)算出微分輸出。雖然增量式PID算法具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但需要保存上一次的誤差值，因此容易受到累計(jì)誤差的影響。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，PID參數(shù)的調(diào)試是非常重要的。PID控制器是一種常用的控制算法，它根據(jù)誤差信號(hào)和過(guò)去的狀態(tài)來(lái)調(diào)整控制輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于特定過(guò)程的精確控制。

通過(guò)串口調(diào)試PID參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)整，以達(dá)到更好的控制效果。在進(jìn)行串口調(diào)試時(shí)，需要使用特定的工具或軟件，以便向控制系統(tǒng)發(fā)送命令并接收反饋信息。

四、資料獲取

具體源代碼和原理圖可以前往嘉立創(chuàng)-硬創(chuàng)社搜索“智能溫控器”。