CN113433990B - 一种基于单片机的快速温控方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于单片机的快速温控方法及其系统；所述方法包括：Matlab程序生成PID参数所对应的三个129x129的模糊查询表数组及E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组；将当前目标温度所对应的初始PID参数值和输出控制偏移量下发至单片机，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表；如果|E|>3Emax，则全速加热或降温；如果|E|<3Emax，则根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行模糊PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块实现温度控制。本发明采用整型运算代替浮点运算，有效的提高了升降温的效率，同时1个单片机能够实现对4路温控模块控制。

Description

一种基于单片机的快速温控方法及其系统

技术领域

本申请涉及温度控制技术领域，特别是涉及一种基于单片机的快速温控方法及其系统。

背景技术

目前的模糊温控PID算法，大多都是1路单片机控制1路温控，没有控制多路的，另外没有看到采用整型代替浮点PID运算，也没有使用大型二维表查表的方式代替浮点运算的算法。传统的温控PID算法温控的效率低，比如说从室温30℃左右升高到95℃，传统的温控算法需要18秒左右，同时，如果需要进行多路（比如4路）的温控，就需要相应数量的温控板子，增加了产品的体积和成本，还增加了产品内部的连接线布线。

申请公布号为CN103064447A的中国发明，其公开了一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，提出一种基于第一维E和第二维EC变量建立近似第三维语言变量ECC的近似算法，通过引入第三维变量ECC，建立模糊规则进行控制(其中E表示测量值与给定值的偏差，EC表示E的偏差，ECC表示EC的偏差)；对拟合数据测量，进行模糊推理：通过优化模糊规则进行模糊判决，并进行模糊控制。

申请公布号为CN110442167A的中国发明，其公开了一种脉冲激光种子源的温控系统及其控制方法，包括为整个装置提供电源的供电模块、模糊PID控制器和激光二极管；通过采用模糊算法与PID控制相结合的温控系统实现了一种经济、有效而且稳定的脉冲激光种子源温控方法，因此能够在较低的功耗下实现脉冲激光种子源的温度变化控制，从而确保脉冲激光种子源功率稳定输出。

上述两个申请都是采用模糊PID温度控制，但是都是1路单片机只能控制1路温控。

发明内容

基于此，有必要针对模糊温控PID算法采用浮点型运算，或者传统的温控效率低，还有1路单片机只能控制1路温控，从而导致控制多路温控时增加了产品的体积和成本的问题，提供一种基于单片机的快速温控方法及其系统。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种基于单片机的快速温控方法，包括如下步骤：

Matlab程序生成PID参数所对应的三个129x129的模糊查询表数组及E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组；

将当前目标温度所对应的初始PID参数值和输出控制偏移量下发至单片机，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表；

如果|E|>3Emax，则全速加热或降温；如果|E|<3Emax，则根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行模糊PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块实现PID温度控制；其中，E表示温度偏差和EC代表温度偏差的变化速度，Emax为模糊温度区间的最大值。

优选地，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表包括如下步骤：

将E和EC放大64倍，并将E和EC转成整型数据；

将模糊查询表数组内的PID参数值放大16倍并转成整型数据，得到当前目标温度的PID参数值二维表。

优选地，所述模糊查询表数组和模糊区间一维数组通过Matlab程序生成的detpid.h头文件保存，单片机能够使用所述detpid.h头文件。

优选地，还包括步骤：

如果|E|<1℃，则转而进行增量型PID控制；如果|E|<1℃且|EC|<7，则认为当前温度已经到达目标温度并趋于稳定，此时累积记录当前温度运行的总时间，当记时完成后进入下一个目标温度循环控制。

优选地，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算包括如下步骤：

找出当前E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置；

所述E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置双向交叉一下即可得到在PID二维表中的位置，如果E和EC的值等于E和EC一维数组在该位置的值，则分别取三个PID模糊查询表中在该位置的值即可；如果E和EC的值不等于E和EC一维数组在该位置的值，则取一维数组两个对应点及后一位置的两个对应点，交叉得到4个点的平均值，作为查找运算的PID参数值结果。

优选地，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算还包括如下步骤：

通过查找出来的PID参数值进行PID运算，PID运算完后将pidout计算结果缩小1024倍。

优选地，PID控制温控模块最终输出的范围在-1~1之间，pidout计算结果的映射公式为：

PID控制输出=（2048-pidout计算结果）/2048；

pidout计算结果输出在0~4096的范围。

优选地，所述Emax设置成3。

优选地，所述E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组是从小到大按比例顺序增加排列的。

本发明还提供了一种基于单片机的快速温控系统，其包括：

单片机，温控模块，传感器及上位机，所述单片机嵌入有模糊PID控制器；

所述单片机与温控模块、上位机都是通过RS232串口连接，1个模糊PID控制器和单片机控制多路温控模块；

所述单片机带有DMA串口收发模块，所述上位机具有基于Qt实现了供用户交互的数字PCR温控GUI界面和Qt多线程收发数据的串口模块。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

在单片机中采用模糊PID算法来实现快速的升降温，有效的提高了升降温的效率；

采用整型数据运算代替浮点数据运算，使得一次PID运算时间在单片机上缩减到了只有16ms左右，使得1个单片机能够同时实现对4路温控模块控制。

附图说明

图1为本申请基于单片机的快速温控方法较佳实施例的流程示意图；

图2为本申请基于单片机的快速温控方法另一较佳实施例的流程示意图；

图3为实施例中据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算的具体步骤的流程示意图；

图4为实施例中PID参数值的计算方法示意图；

图5为实施例中本申请基于单片机的快速温控系统的结构示意图；

图6为图中的单片机下位机的控制模块；

图7为实施例中本方法得到的数字PCR温控曲线运行图。

图8为普通的增量式PID控制程序的温控曲线运行图。

图9为实施例中模糊PID算法程序的温控曲线运行图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

数字PCR上需要实现快速升降温控制的PID算法，传统的温控PID算法升降温速度比较慢，本申请主要是为了实现快速的升降温。同时，采用一路单片机即可控制多路PID温控算法。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于单片机的快速温控方法，包括如下步骤：

S100、Matlab程序生成PID参数所对应的三个129x129的模糊查询表数组及E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组；

S200、将当前目标温度所对应的初始PID参数值和输出控制偏移量下发至单片机，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表；

S300、如果|E|>3Emax，则全速加热或降温；如果|E|<3Emax，则根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行模糊PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块实现温度控制；其中，E表示温度偏差和EC代表温度偏差的变化速度，Emax为模糊温度区间的最大值。

这里的EC=(E-E_pre)/Ts，E_pre是E的前一个值，Ts是前一时刻到当前时刻的时间，也即是PID控制周期。

本发明的关键点在模糊PID算法的实现上，首先使用Matlab2019编写代码创建生成这里的模糊算法，主要是设置好模糊区间和模糊规则。模糊算法建立之后，使用Matlab程序生成PID参数对应的3个129x129模糊查询表数组，数组的大小129是这样计算得来的：设置输入温度偏差E和温度偏差的变化速度EC放大64倍转成整型数据（浮点转换成整型，放大可以减少误差，64=2^6，使用这种二进制倍数关系可以加速单片机运算），因此矩阵大小为2x64+1=129（因为模糊算法中温度偏差处理必须正负对称）。Matlab程序另外还生成了E和EC模糊区间，这是2个对应的1x129的一维数组。为了方便，Matlab程序直接生成了一个单片机可以使用的detpid.h头文件来保存这些生成的数组。

步骤S200中，当前目标温度设置好后，首先通过串口通信将目标温度对应的整定好的PID参数的初始值，以及输出控制偏移量设置到单片机，单片机根据初始值调整上面生成的模糊查询表数组中的PID表值，这里PID参数值相对于Matlab生成的模糊查询表数组中的PID表值，会放大2^4=16倍并转成整型的数据。

这里需要说明的是，由于每个目标温度都对应1组整定好的PID参数值以及1个输出前馈控制偏移量，这里为了方便后面取整操作，将PID控制温控模块输出的范围设置在0~4096之间，pidout计算结果映射方式为：PID控制输出=（2048-pidout计算结果）/2048；pidout计算结果通过这种方式映射到-1~1的范围。因此根据输出范围设置这里的前馈偏移量是1个>=0的正整数。PID参数的整定方法采用继电型整定方法。

这里的Emax为模糊温度区间的最大值，将其设置成3，即最大偏差3℃，也就是说当E>9℃，可以全速加热，降温操作同理，而如果|E|<9℃，则进行带前馈的模糊PID控制：根据E和EC分别算出来二维模糊表的位置，查找计算出来当前E和EC对应的调整后的PID参数值，然后进行带前馈的PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块进行温度控制。

普通的增量式PID控制程序从32℃上升到90℃，需要18s，如图8所示。而本发明设计的模糊PID算法程序，从31℃升到94.1℃只需7.48s如图9所示。本发明的升温速度比普通的增量式PID控制程序快了不止一倍。另外算法采用整型运算代替浮点运算，使得一次PID运算时间在单片机上缩减到了只有16ms左右，满足机器要求的1个单片机控制4路PID运算对运算速度的要求，这里PID控制周期设置在200毫秒，16x4=64 < 200ms。

此外，如图2所示，当|E|的值更小时，要进行如下运算：

S400、如果|E|<1℃，则转而进行增量型PID控制，使温度能够在目标温度附近快速稳定，基本不会出现较大的超调以及任何振荡；如果|E|<1℃且|EC|<7，则认为当前温度已经到达目标温度并趋于稳定，这时开始对当前温度记时，记时时间是温度曲线当前温度运行的总时间。记时完成后，进入下一个目标温度，循环往复，直到温度曲线运行完成。

具体实施时，如图3所示，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算包括如下步骤：

S301、找出当前E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置；

S302、所述E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置双向交叉一下即可得到在PID二维表中的位置，如果E和EC的值等于E和EC一维数组在该位置的值，则分别取三个PID模糊查询表中在该位置的值即可；如果E和EC的值不等于E和EC一维数组在该位置的值，则取一维数组两个对应点及后一位置的两个对应点，交叉得到4个点的平均值，作为查找运算的PID参数值结果。

这里的平均值计算方法如下：如图4所示，E位置是2和3之间，EC位置是3和4之间，则取：

Kd=(DETKD_LUT[2][3]+DETKD_LUT[2][4]+DETKD_LUT[3][3]+DETKD_LUT[3][4])/4。

具体实施时，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算还包括如下步骤：

通过查找出来的PID参数值进行PID运算，PID运算完后将pidout计算结果缩小1024倍，因为前面放大了64x16=1024。计算完成后单片机代码中右移10bit即可得到PID控制的输出值（这里输出值范围映射到了0~4096，因此取整对结果影响不大）。

具体实施时，所述E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组是从小到大按比例顺序增加排列的，方便如前所述快速地查找到E和Ec值对应的位置。

本发明还提供了一种基于单片机的快速温控系统，如图5和图6所示，其包括：

单片机，温控模块，传感器及上位机，所述单片机嵌入有模糊PID控制器，也就是嵌入有整型代替浮点运算的模糊PID快速温控算法；

所述单片机与温控模块、上位机都是通过RS232串口连接，1个模糊PID控制器和单片机控制多路温控模块；

所述单片机带有DMA串口收发模块，所述上位机的串口能够多线程收发数据，防止通信出错宕机；

所述上位机具有基于Qt实现了供用户交互的数字PCR温控GUI界面，所述上位机具有Qt多线程实现的串口模块。

这里的单片机为STM32H743单片机，STM32单片机通过DMA串口收发模块接收不定长的数据，用以提升效率。DMA串口在接收数据时创新性地通过使用STM32串口模块的状态寄存器的空闲位，来判断数据包内的数据是否已经接收完成。上位机基于Qt实现了一个供用户交互的数字PCR温控GUI界面，需要提出的是在上位机串口模块这里，通过Qt多线程的方式实现了串口基于Qt线程来接收/发送数据，不占用主进程的时间，能提高这种大数据量频繁收发操作下的稳定性，解决了宕机出错的问题。因为单片机会每隔200ms上报一次当前的温度信息，普通的Qt串口通信，速度跟不上会导致串口出错宕机，这样就可以有效的防止出错宕机。

单片机内嵌入有整型代替浮点运算的模糊PID高速温控算法，为运行该算法配置了单片机下位机控制模块，如图6所示。

这里的温控模块使用的是半导体制冷片(TEC)和受控电源，该受控电源的控制和操作都是通过RS232串口实现的。

该温控方法及系统可以应用在数字PCR上，如图7所示，数字PCR温控曲线运行时绘制出来的温度曲线图，可以看到从25℃到55℃，时间大概7秒左右，同样的从55℃到72℃，从72℃到95℃，时间也是大概在7s左右，并且超调和振荡都很小。运行结果能满足类似数字PCR温度控制的这些情况下，比较苛刻的温控性能要求。

普通的增量式PID控制程序从32℃上升到90℃，需要18s，如图8所示。而本发明设计的模糊PID算法程序，从31℃升到94.1℃只需7.48s如图9所示。本发明的升温速度比普通的增量式PID控制程序快了不止一倍，就是这里模糊PID算法有超调1.4℃，最高温度大概96.4℃。这个超调还可以通过调整模糊PID参数表和预置的控制偏移量消除掉，如有需要的话。

当然，本发明还可以广泛应用在单片机上带模糊PID控制算法模块的部件中，这种使用整型运算代替浮点类型的数据运算，使得在单片机上得以实现模糊PID控制算法，并且能1个单片机同时运算实现4路温控模块控制。

综上，本申请提供的一种基于单片机的快速温控方法及其系统；所述方法包括如下步骤：Matlab程序生成PID参数所对应的三个129x129的模糊查询表数组及E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组；将当前目标温度所对应的初始PID参数值和输出控制偏移量下发至单片机，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表；如果|E|>3Emax，则全速加热或降温；如果|E|<3Emax，则根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行模糊PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块实现温度控制，使得采用整型运算代替浮点运算，有效的提高了升降温的效率，同时1个单片机能够实现对4路温控模块控制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于单片机的快速温控方法，其特征在于，包括如下步骤：

Matlab程序生成PID参数所对应的三个129x129的模糊查询表数组及E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组；

将当前目标温度所对应的初始PID参数值和输出控制偏移量下发至单片机，单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表；

如果|E|>3Emax，则全速加热或降温；如果|E|<3Emax，则根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行模糊PID运算，运算结果通过串口输出到温控模块实现温度控制；其中，E表示温度偏差和EC代表温度偏差的变化速度，Emax为模糊温度区间的最大值；

单片机根据初始PID参数值生成当前目标温度的PID参数值二维表包括如下步骤：

将E和EC放大64倍，并将E和EC转成整型数据；

将模糊查询表数组内的PID参数值放大16倍并转成整型数据，得到当前目标温度的PID参数值二维表。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，所述模糊查询表数组和模糊区间一维数组通过Matlab程序生成的detpid.h头文件保存，单片机能够使用所述detpid.h头文件。

3.根据权利要求2所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，还包括步骤：

如果|E|<1℃，则转而进行增量型PID控制；如果|E|<1℃且|EC|<7，则认为当前温度已经到达目标温度并趋于稳定，此时累积记录当前温度运行的总时间，当计时完成后进入下一个目标温度循环控制。

4.根据权利要求2所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算包括如下步骤：

找出当前E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置；

所述E和EC的值对应于模糊区间一维数组的位置双向交叉一下即可得到在PID参数值二维表的位置，如果E和EC的值等于E和EC一维数组在该位置的值，则分别取三个PID模糊查询表中在该位置的值即可；如果E和EC的值不等于E和EC一维数组在该位置的值，则取一维数组两个对应点及后一位置的两个对应点，交叉得到4个点的平均值，作为查找运算的PID参数值结果。

5.根据权利要求4所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，根据E和EC查找计算当前温度对应的PID参数值并进行PID运算还包括如下步骤：

通过查找出来的PID参数值进行PID运算，PID运算完后将pidout计算结果缩小1024倍。

6.根据权利要求5所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，PID控制温控模块最终输出的范围在-1~1之间，pidout计算结果的映射公式为：

PID控制输出=（2048-pidout计算结果）/2048；

pidout计算结果输出在0~4096的范围。

7.根据权利要求1所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，所述Emax设置成3。

8.根据权利要求1所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，所述E、EC所对应两个1x129的模糊区间一维数组是从小到大按比例顺序增加排列的。

9.一种基于单片机的快速温控系统，用于运行权利要求1-8任一项所述的基于单片机的快速温控方法，其特征在于，包括：

单片机，温控模块，传感器及上位机，所述单片机嵌入有模糊PID控制器；

所述单片机与温控模块、上位机都是通过RS232串口连接，1个模糊PID控制器和单片机控制多路温控模块；

所述单片机带有DMA串口收发模块，所述上位机具有基于Qt实现供用户交互的数字PCR温控GUI界面和Qt多线程收发数据的串口模块。

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