基于模糊PID控制的鋁基板恒溫加熱臺設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0146-04

1，」，1，2（1.，；2.，）

Abstract:Inthefieldofmodemindustrialcontrol，constanttemperatureheatingtableshaveatractedmuchatentiondueto theirexceletfunctionsandwideaplications.Inordertomeetthetechnicalrequirementsofrapidheatingandconstant temperatureoftheheating table，thispaperdesignsanaluminumsubstrateconstanttemperature heating tablebasedonfuzzyPID control.TheArduinoNanomicrocontrllerisusedasthecontrolchip，withaworkingvoltageof24V.Athermistorisusedt obtainthetemperatureoftheheatingtable，andthepoweroftheheatingresistoriscontroledbychangingthedutycycleof the pulsewidthmodulationoutputthroughthefuzzyIDcontrolertomaintaintemperaturestabilityThroughexperimentandtesting， theheatingtablehasfastresponsivenessstabilty，andanti-interferenceperformance，lowcost，highsensitity，highpractical value，and demonstration and promotion value.

Keywords: heating table； fuzzy PID;Arduino Nano microcontroller; fast response; stability

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，恒溫加熱臺扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在電子制造、材料處理等領(lǐng)域，對溫度控制的精度和穩(wěn)定性要求極高。但是，傳統(tǒng)的恒溫加熱臺在穩(wěn)定性、抗干擾能力方面均不能達到預(yù)期，且板面材質(zhì)略顯粗糙、價格較貴。為解決上述問題，本文采用模糊PID控制算法，可以顯著提升恒溫加熱臺的控制性能。使得設(shè)計的加熱臺具有高穩(wěn)定性、高抗干擾能力且成本較低，可用于電子元器件焊接回流焊，加熱拆卸電子器件等多種不同場合，最高溫度可達 并保持恒定，且在功能上實現(xiàn)多種模式的智能切換，具有極大的使用價值。

1整體設(shè)計方案

本項目的整體設(shè)計思路是在印刷鋁基板上均勻分布著覆銅走線，利用ArduinoNano單片機實時獲取用戶通過按鍵輸入的期望溫度信息，然后通過溫度采集模塊實時采集溫度信息，將采集到的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度進行比較，計算誤差和誤差變化率。將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用模糊邏輯規(guī)則，調(diào)整PID參數(shù)并應(yīng)用到歐姆定律核算實際產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)加熱臺的溫度升高并使得溫度得到精準(zhǔn)、穩(wěn)定的控制。本項目設(shè)計系統(tǒng)主要包括以下模塊：鋁基板加熱臺、ArduinoNano單片機主控制板、模糊PID控制系統(tǒng)、OLED屏幕可視化模塊和編碼器按鍵輸入模塊等。單片機控制板是整個系統(tǒng)的核心大腦，將按鍵輸入和溫度輸人整合后做出處理，通過模糊PID算法合理輸出PWM控制MOS管加熱系統(tǒng)，顯示模塊顯示當(dāng)前加熱臺溫度及運行模式，結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計合理便于使用。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本著簡單、經(jīng)濟、耐用和好看角度出發(fā)，采用分層模塊化設(shè)計，實物如圖1所示。鋁基板加熱臺置于頂層，固定方式采用2個3M螺絲與螺母（起固定與電氣連接作用）和2個3M銅柱（僅起支撐作用)將鋁基板固定到第一層隔熱支撐板上，同時螺絲與螺母將2個銅套夾于鋁基板導(dǎo)電焊盤與隔熱支撐板導(dǎo)電焊盤之中（銅套中間還襯套有聚四氟乙烯管起絕緣作用），完成電氣連接，如圖2所示。第二層隔熱板通過四根銅柱向上連接第一層隔熱板，向下通過4根銅柱連接控制底板，（前方4根銅柱僅起連接作用，后方4根銅柱還起電氣連接的作用)第一第二隔熱板都采用同一塊PCB只是利用的孔位錯位，節(jié)省了成本。OLED顯示液晶屏位于加熱臺正面傾斜 15^° ，便于觀察溫度和運行模式，其右側(cè)安裝有編碼器，便于用戶輸入信息，調(diào)節(jié)溫度和模式的切換。

2 硬件平臺搭建

系統(tǒng)硬件平臺由鋁基板電路和主控制板電路2部分組成，具體如下。

2.1 鋁基板電路

鋁基板是一種以鋁合金為基材的印刷電路板，其電路結(jié)構(gòu)分為3層：銅箔組成的電路層、由特種聚合物填充特種陶瓷構(gòu)成的絕緣層和金屬鋁層，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)大于2.0，非常適配本項目。

為了達到熱面均衡的目，的本項目采用了具有良好的散熱性能單層單面鋁基板，根據(jù)歐姆定律可以計算出對應(yīng)的走線電阻，此方案設(shè)計功率為 左右，電壓為24V直流電，根據(jù)公式(1)計算得電阻到約等于 2.88Ω （考慮到鋁基板作為發(fā)熱元件使用時的工作溫度導(dǎo)致銅箔走線的溫升電阻，為了維持發(fā)熱功率實際阻值應(yīng)略小于 2.88Ω ）

式中： P 表示發(fā)熱功率， U 表示輸入電壓， R 表示走線電阻，然后根據(jù)電阻公式求出所需的走線數(shù)據(jù)

R=ρL_s，

式中： R 為電阻， ?_?ρ 為銅的電阻率， L 表示走線長度， s 表示走線的橫截面積。一般PCB生產(chǎn)工藝的銅箔厚度為 0.035mm ，在標(biāo)準(zhǔn)溫度 25^°C 下銅的電阻率約為0.0172μΩ?m_oPCB 走線寬度(W)與長度(L)按實際需求調(diào)整。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得

$R { = } \\frac { \\displaystyle \\frac { 0 . 0 1 7 ~ 2 { \imes } L } { 0 . 0 0 0 ~ 0 3 5 { \imes } W } } { \\displaystyle 1 ~ 0 0 0 ~ 0 0 0 } \extmd { ^ \extmd { o } }$

在此項目中鋁基板大小為 10×10cm² ，如圖3所示。在考慮相對均勻分布走線的情況下選擇線寬1mm 的走線， 3050mm 的線長計算電阻約為 1.49± 0.5Ω ，因為PCB生產(chǎn)精度和不同PCB生產(chǎn)廠商生產(chǎn)工藝不同的問題，導(dǎo)致實際PCB走線電阻往往和理論計算值有一定的誤差。

本次項目的鋁基板理論計算走線電阻約為 1.49Ω 實際測量PCB阻值為 2.1Ω ，再考慮到溫升電阻的影響，實際工作在 的鋁基板走線電阻約為 3～4Ω 維持 150W 左右的功率，基本符合要求。

2.2 電路設(shè)計

2.2.1 主控芯片

本項目采用的是ArduinoNano單片機為主控芯片，如圖4所示。它具有體積小功能強的特點，是一款基于ATmega328p單片機的Arduino開發(fā)板，具有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入引腳，以及 16MHz 晶振。此外，ArduinoNano還支持USB接口，方便與計算機進行通信。

2.2.2 OLED屏幕的可視化

OLED屏幕選用分辨率 128×64 的驅(qū)動芯片SSD1306，它是一種廣泛使用的OLED屏幕，能顯示各種字符、圖片等，融合了超低功耗、高對比度、高刷新率等優(yōu)點。在本項目中使用了SPI協(xié)議通信，刷新速度是IIC的5\\~6倍，占用了 D8.D9.D10.D11 和D13端口。

2.2.3編碼器消抖電路及中斷控制電路

在本項目中使用了1個按鍵旋轉(zhuǎn)編碼器作為用戶輸入，引入了3組電阻與電容作為消抖電路，如圖5所示。由于ATmega328P只有兩路中斷輸入，判斷旋轉(zhuǎn)方向使用了0號中斷引腳(D2)與B相連接A相與D4(一般IO引腳)連接。中心按鍵使用了1號中斷引腳(D3)。

2.2.4MOS管與柵極驅(qū)動電路

加熱電路是純電阻負(fù)載，所以加熱驅(qū)動電路選用的是NMOS，電路設(shè)計如圖6所示，其中，項目參數(shù)額定電壓為24V，額定功率為 200W 為考慮到成本與發(fā)熱等問題，本項目選用的是IRF3205PBF耐壓 55V 電流 110A 導(dǎo)阻 8mΩ ，為了解決單片機端口驅(qū)動能力相對較弱的問題，故在柵極驅(qū)動部分采用了一顆單通道高速底側(cè)柵極驅(qū)動器UCC27517DBVR，相對于傳統(tǒng)的三極管驅(qū)動或推挽電路，大大地增加了開關(guān)速度減少了開關(guān)損耗，確保了MOS能安全穩(wěn)定的運行。

2.2.5 溫度傳感器電路

溫度傳感器采用的是熱敏電阻，基于本項自最小系統(tǒng)的10位ADC，根據(jù)Steinhart-Hart方程計算溫度，可以將精度做到 0.1^qC 以內(nèi)，完全滿足本項目的使用。

3 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)使用的是ArduinoIDE平臺編程軟件，采用Arduino專有的下載軟件燒寫程序，軟件系統(tǒng)整體采用模塊設(shè)計，便于維護和瀏覽，系統(tǒng)主要由初始化程序、顯示驅(qū)動子程序、模糊PID加熱子程序和按鍵中斷子程序構(gòu)成。系統(tǒng)運行在單一閉環(huán)恒溫模式下，按下啟動按鈕系統(tǒng)才會輸出驅(qū)動信號給柵極驅(qū)動器以驅(qū)動發(fā)熱元件，除此之外系統(tǒng)都運行在待機模式（只進行屏幕顯示刷新和接受外部按鍵輸入）。系統(tǒng)啟動后立即進入閉環(huán)運作開始模糊PID計算并快速響應(yīng)達到目標(biāo)溫度，用戶可以在任何時刻通過外部中斷按鍵隨時調(diào)整目標(biāo)溫度或停止系統(tǒng)的運行。

模糊PID控制由普通PID控制單元和參數(shù)自校正單元組成，融合了模糊控制響應(yīng)速度快和PID高精度控制的雙重優(yōu)點。具有實現(xiàn)過程如下：按鈕設(shè)置的期望溫度與加熱臺實際溫度的溫差和溫差值變化率分別用 E_r 和 E_c 表示，通過預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則對控制量實時校正，并將輸出參數(shù) ΔK_p.ΔK_i.ΔK_d 傳送給PID控制器，進而完成參數(shù)的自校正。

通過按鈕設(shè)置的期望溫度與熱敏電阻采集的溫度進行差值計算得到溫差 E_r 和偏差變化率 E_coE_r 和 E_c 的基本論域分別設(shè)定為： E_r∈Y₁=[-3，3] 和 E_c∈Y₂= [-0.2，0.2]，本項目采曲率較為平緩的高斯隸屬函數(shù)模糊化處理，經(jīng)過量化因子 K_E=1，K_E=15 進行比例變換后映射到輸出等級量論域[-3，3]，經(jīng)過面積重心法進行逆模糊化處理得到的模糊集合 ，具體計算如下

式中： z₀ 為逆模糊化后的準(zhǔn)確值， z_i 為模糊等級量論域內(nèi)的值； u_c(z_i) 為 z_i 的隸屬度。

待其通過逆模糊處理轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確值之后通過比例因子轉(zhuǎn)換得到 ΔK_p.ΔK_i.ΔK_d 的PID修正參數(shù)，根據(jù)式(5)即可完成PID參數(shù)的調(diào)整

式中：式中的 為初始設(shè)定量。

4系統(tǒng)測試

完成了硬件焊接、軟件編寫和結(jié)構(gòu)搭建的工作后，開始測試，對加熱效果和長時間運行測試，進行了實際PCB焊接測試和加熱測試。實際測試表明，功能設(shè)計合理，整體設(shè)計達到預(yù)期目的，加熱升溫迅速，從室溫加熱至 僅需要 3.2min ，響應(yīng)速度比較塊。恒溫保持穩(wěn)定，溫度誤差 ，耐久測試良好。實際顯示效果如圖7所示。

5 結(jié)束語

本項目所設(shè)計的恒溫加熱臺融合了現(xiàn)代控制理論和實際工業(yè)需求，通過結(jié)合模糊PID控制的優(yōu)勢，實現(xiàn)對鋁基板工作溫度的精準(zhǔn)、穩(wěn)定的控制，具有響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，滿足高精度制造過程中的溫度要求，另外，該項目附加智能溫度控制系統(tǒng)和多種模式切換，具有現(xiàn)實的實用價值。

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