一种基于单片机的智能PID控制器
技术领域
本实用新型的基于单片机的智能PID控制器可以应用在恒温、恒速工业自动化控制领域中，也可以用于PID教学实验领域中。
背景技术
随着自动化控制应用变得越来越广泛，对控制器的需求也变得越来越多样，控制器也不再是简单的呈现控制算法，更多功能、更灵活的操作性是控制器的一大发展趋势。在众多的控制器中，PID控制器以其简单，适应性强等优点被广泛地应用于工业控制领域中，同时PID 控制理论也是自动化控制教学实验的基础。而常规的PID控制器往往只能简单地显示被控对象当前值与设定值，其控制的灵活性与功能的可操作性较差，比如当想去了解被控对象在运行历史过程中是否有过扰动、系统的动态响应过程、历史变化曲线时，常规的控制器往往不具备此功能。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于单片机的智能 PID控制器，本基于单片机的智能PID控制器可以实现对温度、转速进行控制，切换被控对象 (如转速、温度)，异常报警，并能够实时绘制被控对象历史变化曲线，具有多种控制方式、多种设置方式、工业控制与教学实验两种工作模式。
为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：
一种基于单片机的智能PID控制器，包括MCU控制模块、温度采集电路、温度控制电路、转速检测电路、电机控制电路、控制通道选择电路、存储电路、串口通信电路、操作电路、报警电路和液晶显示电路，所述温度采集电路、温度控制电路、转速检测电路、电机控制电路、控制通道选择电路、存储电路、串口通信电路、操作电路、报警电路和液晶显示电路均与MCU控制模块连接，所述控制通道选择电路分别与温度控制电路和电机控制电路连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述MCU控制模块包括STM32F429VET6单片机、电阻R2、电容C5、按键RESET、电阻R3、电阻R4、晶振Y1、晶振Y2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C13至电容C31、电阻R21、电阻R26、电阻R39、电容 C11、电容C12、二极管D5、电阻R29和发光二极管LED2，所述STM32F429VET6单片机的引脚11、引脚19、引脚28、引脚50、引脚75和引脚100同时与3.3V电源连接，且该3.3V 电源分别通过电容C13至电容C27连接地线，所述STM32F429VET6单片机的引脚22同时与电阻R21、电容C11和电容C12的一端连接，电阻R21另一端连接3.3V电源，所述 STM32F429VET6单片机的引脚20同时与电容C11的另一端、电容C12的另一端和电阻R26 一端连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚6通过二极管D5与电池Battery的正极连接，电池Battery的负极与电阻R26另一端连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚14同时与电容C5、电阻R2和按键RESET连接，电容C5和按键RESET的另一端均连接地线，电阻 R2的另一端连接3.3V电源，所述STM32F429VET6单片机的引脚37通过电阻R3连接地线，所述STM32F429VET6单片机的引脚94通过电阻R4连接地线，所述STM32F429VET6单片机的引脚8同时与晶振Y2和电容C3的一端连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚9同时与晶振Y2另一端和电容C4一端连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚12同时与电阻R1、晶振Y1和电容C1的一端连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚13同时与电阻 R1另一端、晶振Y1另一端和电容C2的一端连接，所述电容C3、电容C4、电容C1和电容C2的另一端均与地线连接，所述STM32F429VET6单片机的引脚21同时与电容C30、电容 C31和电阻R29的一端连接，电容C30和电容C31另一端连接地线，电阻R29的另一端连接 3.3V电源，所述STM32F429VET6单片机的引脚49通过电容C28连接地线，所述 STM32F429VET6单片机的引脚73通过电容C29连接地线，所述STM32F429VET6单片机的引脚10、引脚27、引脚74和引脚99均连接地线，所述电阻R29的一端连接5V电源，电阻 R29的另一端通过发光二极管LED2连接地线。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述温度采集电路包括K型热电偶、MAX6675 芯片、电阻R8和电容C6，所述K型热电偶的引脚1与MAX6675芯片的引脚2连接，所述K型热电偶的引脚2与MAX6675芯片的引脚3连接，所述电阻R8的一端连接地线，电阻 R8另一端同时与电容C6、MAX6675芯片的引脚1和MAX6675芯片的引脚2连接，电容 C6另一端和MAX6675芯片的引脚4同时与5V电源连接，MAX6675芯片的引脚5与 STM32F429VET6单片机的引脚30连接，MAX6675芯片的引脚6与STM32F429VET6单片机的引脚51连接，MAX6675芯片的引脚7与STM32F429VET6单片机的引脚31连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述温度控制电路包括电阻R17、二极管D1、电阻R15、电阻R16、三极管Q1、SCR固态继电器、电阻R18、发光二极管LED、内部PTC 发热片、220V交流电接口、保险丝F1和外部加热器接口，所述电阻R17和二极管D1的正极均与5V电源连接，电阻R17的另一端同时与电阻R15和STM32F429VET6单片机的引脚24连接，所述二极管D1的负极同时与电阻R16一端和三极管Q1的发射极连接，电阻R15 另一端同时与电阻R16另一端和三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极同时与电阻R18 和SCR固态继电器的引脚3连接，电阻R18另一端通过发光二极管LED连接地线，SCR固态继电器的引脚4连接地线，SCR固态继电器的引脚2通过保险丝F1与220V交流电接口的引脚1连接，220V交流电接口的引脚2同时与内部PTC发热片的引脚2和外部加热器接口的引脚2连接，SCR固态继电器的引脚1、内部PTC发热片的引脚1和外部加热器接口的引脚1均与控制通道选择电路连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述转速检测电路包括光电传感器、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12和LM358芯片，所述光电传感器的一端通过电阻R9连接5V电源，光电传感器的另一端同时与电阻R10和LM358芯片的同相输入端连接，电阻R10另一端连接5V电源，LM358芯片的反相输入端通过电阻R11连接地线，电阻R11通过电阻R12 连接5V电源，LM358芯片的输出端与STM32F429VET6单片机的引脚64连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述电机控制电路包括电阻R22、电阻R24、光电耦合器PS2513、电阻R23、电阻R25、三极管Q2、直流电机Motor和外部电机接口，所述光电耦合器PS2513中发光源的一端通过电组R22连接3.3V电源，发光源另一端与STM32F429VET6单片机的引脚59连接，光电耦合器PS2513中受光器的一端通过电阻R24 与电源VCCM连接，且该端与控制通道选择电路连接，受光器另一端连接地线，所述直流电机Motor的一端与电源VCCM连接，另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极连接地线，电阻R23的一端同时与电阻R25的一端和三极管Q2的基极连接，电阻R25的另一端连接地线，电阻R23的另一端与控制通道选择电路连接，外部电机接口的引脚3与电源VCCM连接，外部电机接口的引脚1连接地线，外部电机接口的引脚2与控制通道选择电路连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述控制通道选择电路包括继电器Relay1、继电器Relay2、光电耦合器NEC2705、电阻R31至电阻R38、三极管Q4、三极管Q5、发光二极管LED4、发光二极管LED5、二极管D3和二极管D4；
所述电阻R31的一端与STM32F429VET6单片机的引脚95连接，电阻R31另一端与光电耦合器NEC2705的IN1引脚连接，光电耦合器NEC2705的OUT1引脚、电阻R32一端、二极管D3负极和继电器Relay1的引脚2均连接5V电源，光电耦合器NEC2705的OUT2引脚通过电阻R33同时与电阻R34和三极管Q4的基极连接，电阻R34另一端和三极管Q4的发射极均连接地线，电阻R32另一端通过发光二极管LED4与继电器Relay1的引脚3连接，继电器Relay1的引脚3与三极管Q4的集电极连接，二极管D3的正极与三极管Q4的集电极连接，继电器Relay1的引脚1与SCR固态继电器的引脚1连接，继电器Relay1的引脚4与内部PTC发热片的引脚1连接，继电器Relay1的引脚5与外部加热器接口的引脚1连接；
所述电阻R35的一端与STM32F429VET6单片机的引脚35连接，电阻R35另一端与另一个光电耦合器NEC2705的IN1引脚连接，该光电耦合器NEC2705的OUT1引脚、电阻R36 一端、二极管D4负极和继电器Relay2的引脚2均连接5V电源，该光电耦合器NEC2705的 OUT2引脚通过电阻R37同时与电阻R38和三极管Q5的基极连接，电阻R38另一端和三极管Q5的发射极均连接地线，电阻R36另一端通过发光二极管LED5与继电器Relay2的引脚 3连接，继电器Relay2的引脚3与三极管Q5的集电极连接，二极管D4的正极与三极管Q5 的集电极连接，继电器Relay2的引脚1与光电耦合器PS2513中受光器的一端连接，继电器 Relay2的引脚4与电阻R23的一端连接，继电器Relay2的引脚5与外部电机接口的引脚2 连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述存储电路包括AT24C32芯片、电阻R19 和电阻R20，所述AT24C32芯片的引脚1、引脚2、引脚3、引脚7和引脚4均连接地线，AT24C32芯片的引脚8连接电源VCC3.3，AT24C32芯片的引脚5通过电阻R20连接电源 VCC3.3且引脚5与STM32F429VET6单片机的引脚48连接，AT24C32芯片的引脚6通过电阻R19连接电源VCC3.3且引脚6与STM32F429VET6单片机的引脚47连接；
所述串口通信电路包括CH340G通信芯片、USB接口、晶振Y3、电容C7、电容C8、电容C9和电容C32，所述CH340G通信芯片的引脚16连接5V电源，CH340G通信芯片的引脚2与STM32F429VET6单片机的引脚68连接，CH340G通信芯片的引脚3与 STM32F429VET6单片机的引脚69连接，CH340G通信芯片的引脚4通过电容C9连接地线， CH340G通信芯片的引脚1连接地线，CH340G通信芯片的引脚8同时与晶振Y3和电容C8 的一端连接，晶振Y3的另一端同时与CH340G通信芯片的引脚7和电容C7的一端连接，电容C7和电容C8的另一端均连接地线，CH340G通信芯片的引脚5和引脚6均与USB接口连接，USB接口的VCC引脚通过电容C32连接地线，且该VCC引脚连接5V电源，USB接口的GND引脚连接电源。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述操作电路包括三行三列式矩阵键盘、旋转编码器R41和旋转编码器R40，所述三行三列式矩阵键盘包括按键K1至按键K9，按键K1、按键K2和按键K3的一端均与STM32F429VET6单片机的引脚3连接，按键K4、按键K5 和按键K6的一端均与STM32F429VET6单片机的引脚4连接，按键K7、按键K8和按键K9 的一端均与STM32F429VET6单片机的引脚5连接，按键K1、按键K4和按键K7的另一端均与STM32F429VET6单片机的引脚98连接，按键K2、按键K5和按键K8的另一端均与 STM32F429VET6单片机的引脚1连接，按键K3、按键K6和按键K9的另一端均与 STM32F429VET6单片机的引脚2连接，旋转编码器R41的一端与3.3V电源连接，另一端连接地线，旋转编码器R41的可调节端与STM32F429VET6单片机的引脚34连接，旋转编码器R40的一端与3.3V电源连接，另一端连接地线，旋转编码器R40的可调节端与 STM32F429VET6单片机的引脚33连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述报警电路包括电阻R27、电阻R28、三极管Q3、二极管D2、喇叭、发光二极管LED3和电阻R30，电阻R27一端与STM32F429VET6 单片机的引脚25连接，电阻R27另一端同时与电阻R28一端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极和电阻R28另一端均连接地线，三极管Q3的集电极同时与二极管D2的正极和喇叭的一端连接，二极管D2的负极和喇叭的另一端均与3.3V电源连接，所述发光二极管 LED3的负极与STM32F429VET6单片机的引脚53连接，发光二极管LED3的正极通过电阻 R30与3.3V电源连接；
所述液晶显示电路包括TFT彩色液晶显示屏、可调电阻R13和电容C10，所述TFT彩色液晶显示屏的引脚1至引脚21以及引脚23均与STM32F429VET6单片机连接，TFT彩色液晶显示屏的引脚24和引脚25均与3.3V电源连接，TFT彩色液晶显示屏的引脚28与可调电阻R13的调节端连接，可调电阻R13的一端与5V电源连接，另一端连接地线，TFT彩色液晶显示屏的引脚22、引脚26和引脚27均连接地线，电容C10一端与3.3V电源连接，另一端与地线连接。
本实用新型的优点在于：设计了一种基于单片机的新型PID控制器，具有工业控制与教学实验两种模式。该控制器内部具有内部PTC发热片和直流电机，可根据需要选择控制器内部或外部设备作为控制对象，其中温度控制与电机转速控制完全独立。该控制器设置方式多样，可通过按键或由计算机发送指令对其进行设置。能够存储被控对象历史采样值并能根据采样值自动绘制出被控对象的历史变化曲线，极大地方便操作人员了解被控设备历史变化状况及整个系统的工作性能。此外该PID控制器具有自检功能，出现失控或者出现其他异常状况时能够发出报警信号提示操作人员，并能够自动定位异常问题方便检修。采用彩色TFT液晶显示屏显示，具有极其友好的人机交互性。整个控制器具有简单可靠、工作模式多样、控制精度可调、适用范围广的特点。
综上所述，本实用新型从PID控制算法入手，综合运用采样电路、控制电路、设置电路、报警电路与显示电路，实时绘制被控对象的变化曲线，具有多种控制方式、多种设置方式、工业控制与教学实验两种工作模式。此设计控制方式多样、人机交互性好、控制精度可调、具有自检功能，对自动化控制应用及PID的教学实验具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型整体电路框图。
图2为本实用新型的MCU控制模块的电路示意图。
图3为本实用新型的温度采集电路示意图。
图4为本实用新型的温度控制电路示意图。
图5为本实用新型的转速检测电路示意图。
图6为本实用新型的电机控制电路示意图。
图7为本实用新型的控制通道选择电路示意图。
图8为本实用新型的存储电路示意图。
图9为本实用新型的串口通信电路示意图。
图10为本实用新型的操作电路示意图。
图11为本实用新型的报警电路示意图。
图12为本实用新型的液晶显示电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。本实用新型仅仅是对本实用新型实施方式的描述，并不对本实用新型的范围有任何限制。
为了实现PID控制与实时绘制被控对象历史变化曲线的功能，设计了如图1所示的一种基于单片机的智能PID控制器的电路图。主要包含MCU控制模块、温度采集电路、温度控制电路、转速检测电路、电机控制电路、控制通道选择电路、存储电路、串口通信电路、操作电路、报警电路、液晶显示电路。
如图2所示，在MCU控制模块中，采用STM32F429VET6单片机作为整个系统的CPU，完成对数据的计算、处理、传输及控制各模块之间的协调工作。通过电阻R2、电容C5和按键RESET来实现复位功能。通过电阻R3、电阻R4来实现单片机的启动电路。通过高速晶振 Y1、低速晶振Y2、滤波电容C1、C2、C3、C4来给单片机提供时钟电路。通过电容(C13～C27) 给单片机提供稳定的工作电源。通过电阻R21、R26、R39、电容C11、C12、C30、C31来给单片机内部ADC提供稳定的工作电源与参考电压。
如图3所示，在温度采集电路中，通过K型热电偶将温度量转化为电压量，再经过MAX6675芯片将电压量转化为数字量，然后交由单片机进行数据处理。电阻R8、电容C6 用来滤波，使MAX6675工作更为可靠。
如图4所示，在温度控制电路中，电阻R17为上拉电阻，二极管D1、电阻R15、R16及三极管Q1构成SCR固态继电器的驱动电路，电阻R18、发光二极管LED组成的电路负责指示SCR的通断状态，内部PTC发热片、220V交流电接口、保险丝F1组成内部发热电路，外部加热器接口用来连接外部被控设备。该电路是用来执行单片机输出的温度控制信号。
如图5所示，在转速检测电路中，通过光电传感器、LM358芯片和电阻R10、R11、R12组成的比较电路来实现的，单片机负责对其输出的高低电平进行捕获，通过数据处理获取电机转速实际值。
如图6所示，在电机控制电路中，通过光电耦合器PS2513、电阻R23、R25、三极管Q2、直流电机构成内部电机电路，外部电机接口用来连接外部被控电机设备。该电路用来执行单片机输出的电机转速控制信号。
如图7所示，在控制通道选择电路中，主要通过继电器来实现通道的切换。光电耦合器、电阻R31～R38、三极管Q4、Q5作为继电器驱动电路，继电器的公共端分别连接温度控制信号和电机控制信号。主要功能为切换控制对象，共有四种组合模式。其控制对象可为内部PTC 发热器件、外部温控对象、内部电机、外部电机，其中温度控制与电机转速控制可同时进行。
如图8所示，在存储电路中，采用AT24C32作为整个系统的存储单元，通过电阻R19、R20与单片机进行稳定可靠的通信，其主要功能为保存系统设定的PID控制参数、控制器工作参数、以及经滤波算法处理后的历史采样值。
如图9所示，在串口通信电路中，采用CH340G作为与计算机的通信芯片，该电路用来接收由计算机发送的控制信号，以及向计算机传输数据。
如图10所示，在操作电路中，采用三行三列式矩阵键盘，K1到K9的功能分别为：自整定键、设置键、加一键、减一键、退出键、选择键、运行键、停止键、模式选择键。R40旋转编码器用来放缩图像显示的横坐标，R41旋转编码器负责调节图像显示的纵坐标。
如图11所示，在报警电路中，采用由电阻R27、R28、三极管Q3、续流二极管D2及喇叭组成的发声电路和发光二极管LED3、电阻R30组成的发光电路来实现。其主要功能为控制器出现失控时或者其他异常情况发出提示信号。
如图12所示，在液晶显示电路中，采用TFT彩色液晶显示屏显示，主要用来显示绘制被控对象历史变化曲线、设定的参数、以及操作提示信息，综合使用汉字、字母、数字进行显示。通过电阻R13进行背光亮度的调节。
经过测试，整个系统工作可靠、人机交互友好，其控制方式多样，多种工作模式，显示实时性以及多种设置方法，使得其应用范围更为广泛，在自动化控制及PID的教学实验中具有极大的应用空间。
测试表明，此控制器可以实时采集温度、转速并据此绘制被控对象的历史变化曲线，其可工作在工业控制与教学实验两种模式。其控制对象可选择为内部发热元件、内部直流电机，也可选择为外接设备，当控制器出现失控时能够自动发出报警信号。能够由按键或计算机发送指令对控制器进行操作。此控制器工作可靠、控制精度可调、控制方式多样、多种工作模式、多种设置方法以及显示实时性的特点使其具有较高的应用价值，可应用于自动化控制行业或PID教学实验领域中。
以上所述，仅以本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可想轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之类。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
