章壯源

南京信為峰光電科技有限公司（江蘇 南京 210001）

0 引言

數(shù)字PID控制即計(jì)算機(jī)或微處理器將模擬PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)變換后，利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)PID控制和校正。數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID算法和增量式PID控制算法，文章采用增量式控制算法。和模擬PID控制電路相比，數(shù)字PID控制具有成本低、控制靈活等特點(diǎn)[1]。

1 微處理器

文章研究的加熱系統(tǒng)的微處理器采用了MICROCHIP的PIC16f18344。該微處理器自帶256個(gè)字節(jié)的EEPROM，可以保存通過(guò)串口發(fā)送的新工作參數(shù)或PID調(diào)節(jié)參數(shù)，工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍默認(rèn)為-40～85 ℃，自帶內(nèi)部晶振，最大支持32 MHz。而且大部分指令都是單周期指令，內(nèi)部集成了基準(zhǔn)電壓源，AD采樣時(shí)無(wú)須另外增加基準(zhǔn)電壓源，且?guī)WM功能、串口通信功能，外設(shè)豐富，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，具有外設(shè)引腳選擇功能，可以通過(guò)軟件將數(shù)字外設(shè)直接設(shè)置到需要的任何IO口上[2]。該微處理器完全滿足溫度采樣及數(shù)字PID算法的資源要求。另外，Microchip公司提供的MPLABX編譯環(huán)境支持C語(yǔ)言和匯編，同時(shí)還支持圖形化編程，降低了軟件開(kāi)發(fā)的難度，提高了開(kāi)發(fā)效率。

2 溫度監(jiān)控

該系統(tǒng)采用了溫度傳感器DS18B20為測(cè)溫器件。該傳感器通過(guò)單總線接口進(jìn)行通信，無(wú)須外圍器件，供電電壓范圍為2.5～5.5 V，測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃，直接安裝在液晶屏側(cè)邊監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。通過(guò)數(shù)字信號(hào)讀取溫度傳感器內(nèi)的溫度值，可以避免使用熱敏電阻時(shí)因傳輸距離遠(yuǎn)或因外界電磁干擾而產(chǎn)生誤差[3]。

3 加熱組件

在考慮顯示效果和加熱效率的情況下，一般選擇ITO玻璃作為加熱部件。ITO玻璃具有良好的透光性和導(dǎo)電性能，可以直接放在液晶屏下加熱而不會(huì)影響液晶屏的光學(xué)效果及顯示質(zhì)量。最大加熱功率的計(jì)算公式為

式中：Q為加熱的功率，W；m為顯示屏及ITO玻璃模塊質(zhì)量，kg；c為T(mén)FT比熱容，約750 J/（kg·℃）；△T為設(shè)定的恒定溫度值和最低工作溫度的差，℃；Tim為從最低工作溫度加熱到設(shè)定的恒定溫度值需要的時(shí)間，s；n為顯示屏熱利用系數(shù)，根據(jù)ITO與顯示屏距離調(diào)整，距離為0時(shí)（緊貼），n=70%～90%；距離≥0.2 mm時(shí)，n=50%～70%，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)取n=85%；k為加熱期間散熱系數(shù)，根據(jù)加熱功率大小及實(shí)際時(shí)間長(zhǎng)短，試驗(yàn)測(cè)試為1.2～1.5，取k=1.4。

加熱玻璃制作方法如圖1所示。從相對(duì)的玻璃邊緣用銅箔或相應(yīng)的導(dǎo)電材料各引出一個(gè)電極，其在電路上可等效于電阻，阻值計(jì)算公式為

式中：Rs為方阻，Ω；L為長(zhǎng)度，m；W為寬度，m。

圖1 加熱玻璃示意圖

4 加熱控制電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用半橋式驅(qū)動(dòng)電路，上橋采用一個(gè)P-MOSFET作為加熱玻璃電源總開(kāi)關(guān)，控制加熱玻璃的總供電；下橋采用了一個(gè)N-MOSFET串聯(lián)一個(gè)電流取樣電阻接地，形成回路。微處理器通過(guò)AD功能讀取電流取樣電阻分壓值，然后計(jì)算出當(dāng)前加熱電路中的電流。這樣可以及時(shí)對(duì)過(guò)流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通過(guò)PWM方式驅(qū)動(dòng)N-MOSFET控制加熱功率的輸出，其電路控制原理框圖如圖2所示[4-6]。

5 PID算法

該系統(tǒng)軟件主要采用數(shù)字PID算法。PID控制是一種線性控制，其根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差，公式為e(t)=r(t)-c(t)，同時(shí)將偏差的比例P、積分I和微分D通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，控制被控對(duì)象，故稱PID控制。其控制規(guī)律公式為

圖2 電路控制原理框圖

式中：Kp為比例常數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；u(t)為PID控制器的輸出信號(hào)。

PID各環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。當(dāng)偏差e=0時(shí)，控制作用也為0。因此，比例控制基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，即有差調(diào)節(jié)。（2）積分環(huán)節(jié)。能記憶誤差，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti。Ti越大，積分作用越弱；反之，則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)。能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)產(chǎn)品驗(yàn)證，通過(guò)微處理器可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，而且程序簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)靈活方便，配合加熱控制電路、溫度傳感器，可以形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用PID算法控制的加熱控制系統(tǒng)和不采用PID算法的加熱控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能確保不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，不會(huì)導(dǎo)致液晶屏內(nèi)部的材料或部件損壞或失效；

（2）能精確控制環(huán)境溫度，升溫和降溫誤差范圍小于±1 ℃，能很好地保證液晶屏顯示質(zhì)量的一致性；

（3）采用PID算法的加熱系統(tǒng)能更有效地利用加熱電源，減少系統(tǒng)的功耗，使液晶屏應(yīng)用的范圍更廣。