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採用PID控制算法的液晶屏加熱電路、程序

2020-12-29 03:52:26 佚名

幾年前，我設計了一款帶有LCD顯示屏的產品。

通常LCD 液晶屏的工作溫度，常溫型的為0-50 °C，寬溫型的為-20-70 °C,超寬溫型的為-30-80 °C。

大家知道，俄羅斯和北歐國家一到冬天就被冰雪覆蓋，地凍天寒，即使在白天氣溫也可能低至-50°C。

因此，該款產品的工作溫度要求為-40°C-70°C，即要求液晶屏在-40°C仍然能正常工作。

我們的解決方案是通過NTC檢測溫度，採用PWM驅動功率電阻產生熱量加熱。

所幸產品體積比較小，而且電路板以及液晶屏被密閉在外殼內，所以只需消耗很小的功率就能實現較好加熱效果。

其實在這款產品之前，公司也有類似的由他人設計的產品，當初的方案是根據閾值控制功率電阻的導通或斷開，即：

檢測到溫度低於-15°C時，MCU的IO口輸出高電平讓NMOS導通給功率電阻供電使其發出熱量；

當檢測到溫度高於-5°C時，則輸出低電平讓NMOS斷開使功率電阻停止加熱。

這一簡陋的模糊控制的方法，不但浪費電，而且不能在低溫情況下給電子元器件和液晶屏提供-10°C的恆溫工作環境。

工作環境不好，影響了這些器器件的心情。搞不好它們就要罷工或者提前退休。

作為有幾十年工作經驗的工程師，我深知“細節決定成敗”的真諦，所以對這個加熱的方案做了一些創新：

電路還是那個電路，器件還是那個器件；

溫度檢測以及電阻加熱電路原理圖

溫度檢測比較簡單，+3.3V的基準電壓經過NTC以及R2分壓之後送入單片機的ADC口。

MCU的PWM口通過R4限流，R5的洩流控制NMOS Q1驅動功率電阻10ohm的R3發熱。

控制NMOS的端口由普通的IO口改到PWM

採用頻率為1KHz，佔空比0%-100%可調的PWM信號驅動NMOS使功率電阻R3產生可調的熱量；

編寫MCU程序實現增量式PID控制，並根據PID算法計算的數值設定PWM的佔空比

將設定溫度固定為-10°C

從ADC口讀取出當前溫度對應的ADC值

計算設定溫度與當前溫度的差值

從其內部存儲器讀出事先整定好的比例，積分系數，算出控制量。

增量式PID控制算法

對比例係數、積分系數進行整定

PID參數的整定非常考慮能力和經驗，我的經驗是，先整定比例係數，先把控制閉環斷開，測試整個系統中輸入為1個單位時，所控制的輸出能產生多少個單位的變化。選定比例係數，使得1個單個的輸入能使輸出產生0.1左右的單位的變化。

接下選定積分系數，積分系數大概為比例係數的1/20，可採用二分法，根據測試的結果不斷調整。使得控制效果最佳，既不產生振盪，又不致使系統的反應太慢。

增量式PID控制算法如下：

<code>void
 pid_init(void)
 {
 	INT32
 m_lCF, m_lCI, m_lCurU;
 	  = (INT16)pidcon.m_uiSetAD - (INT16)pidcon.m_uiCurAD;
	m_lCF
 = (INT32)pidcon.m_uiKP * pidcon.m_iDU; 

	m_lCI
 = (INT32)pidcon.m_uiKI * pidcon.m_iDU;
	m_lCurU
 = m_lCF + m_lCI;
	  = m_lCurU;
 }
 
 
 void
 pid_cal(void)
 {
 	INT16
 m_iDU, m_iDDU;
	INT32
 m_lCF, m_lCI, m_lCurU;
 	m_iDU
 = (INT16)pidcon.m_uiSetAD - (INT16)pidcon.m_uiCurAD;
	m_iDDU
 = m_iDU - pidcon.m_iDU;
	  = m_iDU;
	m_lCF
 = (INT32)pidcon.m_uiKP * m_iDDU;
	m_lCI
 = (INT32)pidcon.m_uiKI * m_iDU;
	m_lCurU
 = m_lCF + m_lCI;
	  += m_lCurU; 

	  < HT_AD_CURU_MIN)
	{
		  = HT_AD_CURU_MIN;
	}
	  > HT_AD_CURU_MAX)
	{
		  = HT_AD_CURU_MAX;
	}
 }
 void
 pid_conduty(void)
 {
 	U32
 lduty;
 	lduty
  = 0;
	  = 0;
	  > 0)
	{
		lduty
 = (U32)pidcon.m_ulCurU / 512;
	}
	  >= HT_PWM_PERIOD)
	{
		  =  
HT_PWM_PERIOD;
	}
	else
	{
		  = (U16)lduty;
	}
	updateduty(pidcon.m_uiDuty);
	
 }
/<code>