嵌入式PID温度控制，第1部分：电路

该PID（比例积分 - 衍生物）控制器中的关键组件是EFM8微控制器，DAC和MAX31855热电偶对数字转换器。

支持信息

• 该项目利用定制设计的PCB;请参阅使用EFM8微控制器自定义PCB设计有关将EFM8设备整合到定制硬件中的指导。
• 您可以介绍热电偶的简要概述以及有关MAX31855的一些一般信息制作基于EFM8的系统，用于监控和分析热电偶测量。
• 控制系统介绍：使用MATLAB的SISO工具设计PID控制器
• 负反馈，第1部分：一般结构和基本概念
• 双极连接晶体管简介

传说中的p-i-d

PID控制器可能达到了一些神秘的地位。当物理变量需要被控制 - 温度，角速度，位置，流速等时 - 调用PID的力量，并且PID具有快速成功的自信希望。PID的普及和着名不一定是不值得的;PID控制优雅，灵活，稳健，并证明其在无数实际应用中的功效。但是，我们有可能知识PID的值远远超过我们的经验对于PID，特别是考虑到PID的实现常常隐藏在所谓的可编程逻辑控制器(plc)中，各种低级别的细节从用户那里抽象出来。PLC制造商制造的非常好的PID控制器远远超过了我能设计的任何东西;对此我毫无疑问。但我喜欢自己设计东西，从头开始——这更有趣，而且能帮助我真正理解重要的概念和技术。

因此，本系列文章将探索实用的低水平PID控制，通过一个简单的电路，可以测beplay体育下载不了量电阻加热元件的温度。我们将不深入PID理论的细节，这是适当地覆盖控制系统介绍，我们不会将所有特征和改进纳入我们的算法。相反，我们将尝试通过将它们应用于直接温度控制电路来照亮PID控制的基础原则。

为什么PID？

PID控制器是否定反馈的特定实现：

要了解PID控制的持久成功，您首先需要了解负面反馈的尊重能力，可以轻松完成复杂的控制任务。在这里，我会引用负反馈，第1部分：一般结构和基本概念：经常在生活中，

解决方案：负反馈。

在PID（比例 - 积分衍生物）系统的情况下，“开环放大器”实际上是在最新错误以及先前的错误和预期错误上运行的算法。这里的PID控制的优雅：比例项调整输出响应于当前的系统的状态，积分术语通过累积微调输出过去的误差和导数项通过预测使输出更有响应性未来基于输出如何变化的错误。

电路设计

这个项目的功能本质上是一个恒温器:“加热器”只是一个简单的2.4Ω，5 W电阻。反馈信号由K型热电偶提供与MAX31855热电偶 - 数字转换器。然而，我们的恒温器比典型的家用恒温器更有趣，因为它不受“开”和“关”的限制;相反，我们可以从256个不同级别的加热器电源中选择。这是通过以下电路实现的:

加热元件电阻的引线拧入两个端子中终端块J7，所以当你看看J7时，想象一个地方的电阻：

这DAC.是由EFM8微控制器通过SPI控制的8位电压输出设备。参考电压（由EFM8提供）为2.4 V，因此DAC的输出范围为0 V至2.4 V（2.4 V）/（2^8.) = 9.4 mV。弱小的DAC输出驱动器只能连续输出大约10毫安，我们不会从只有10毫安的电阻中获得太多的热量。这就是op-amp.和是机器(p / nDSS20201L.从二极管公司(Diodes Inc.)开始。

我们可以简单地使用OP-AMP缓冲DAC输出，但OP-AMP的输出电流容量也不足。因此，您在这里看到的是用于增加OP-AMP驱动功能的标准电路。BJT可以维持2 A的连续收集器电流，这对于我们的目的而言绰绰有余。控制电压（即，DAC输出电压）应用于OP-AMP的正输入。通用电路配置是单位增益电压跟随器的电压，但请注意如何反馈信号（连接到OP-AMP的负输入）来自施加到加热元件的电压，不是从OP-AMP的输出端子。这种布置讲述了OP-AMP以确保施加到加热元件的电压与控制电压相同的方式，以确保所需的输出电压。

另一个重要的细节如下：虽然OP-A​​MP没有直接驱动加热元件，但其输出电流容量无关紧要。流入Q1基部的电流将大致等于由BJT的有源区DC电流增益除以的加热器电流，否则称为Beta或H._Fe.。（请注意，Q1将始终处于截止或主动模式，因为基极电压不超过2.4 V +〜0.7V = 3.1V，而收集器始终为5 V.NPN晶体管，只要恒定，NPN晶体管不会进入饱和度基极电压不超过集电极电压超过〜0.4 V。）我们晶体管的最小β为200，因此如果我们将1A驱动到加热元件中，则OP-AMP必须能够为5 mA供电根据。我认为只有关于任何OP-AMP可以处理5 mA，但如果您修改此电路以显着更高的加热器电流，请记住确认您的OP-AMP可以安全地提供必要的基本电流。

加热器

加热元件电阻基本上有两种要求：其电阻必须非常低，使我们的低驱动电压会产生高电流，并且其功率额定值必须足够高（远高于我们用于典型的典型 -孔或表面安装电阻器）。I can’t draw much more than 1 A from the USB charger I am using as a power supply, so I chose a resistance of 2.4 Ω: the maximum drive voltage is 2.4 V, and thus when the drive voltage is at max, the current will also be at max. The power dissipation at max current is simply 2.4 V × 1 A = 2.4 W. I like to maintain about 2x safety margin, so a 5 W resistor will do the trick. Here is a photo of the hardware setup:

即使在1A中，该系统也不会产生大量的热量，因此在操作期间，通过在蓬松的绝缘织物中包装电阻，延长可用的温度范围：

结论

我们介绍了PID控制的一般概念和好处，我们详细讨论了我们将用于探索PID功能的“恒温器”电路。beplay体育下载不了在下一篇文章中，我们将专注于收集MAX31855的温度数据所需的固件，并通过DAC调节加热器驱动电流。

下一篇文章串联：嵌入式PID温度控制，第2部分：板级集成

自己尝试一下这个项目吧!得到bom。