摘 要:介紹一種小型高精度恒溫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，由前端信號(hào)調(diào)理電路和放大電路組成，用A級(jí)Pt100作為溫度傳感器，針對鉑電阻測溫存在非線性的特點(diǎn)，從軟件方面進(jìn)行校正，以保證測量準(zhǔn)確度。同時(shí)在算法控制上采用比傳統(tǒng)的PID更加好的自校正PID算法?？販夭捎冒雽?dǎo)體制冷器。經(jīng)對研制的小型恒溫系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，并測量了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明其在理論和實(shí)驗(yàn)上都具有可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不僅測量和控制方法是可行的，而且控制精度達(dá)到了較高的水平。

關(guān)鍵詞:鉑電阻;溫度控制;高精度;自適應(yīng)PID

中圖分類號(hào):TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-101-03

Small High Precision Constant Temperature System

ZHU Yue，XU Xiaohui，SONG Tao，ZHAO Lijun，WANG Meng

(Hebei University of Technology，Tianjin，300401，China)

Abstract:The small high precision constant temperature control system which consists of MCU AT89C51 as controlling core，bridge detecting input and filter amplifier circuit.For the temperature-resistance characteristic curve a Platinum resistor is nonlinear，special current type temperature detect circuit，software side is used to compensate the nonlinear measurement error of the the platinum resistor Pt100 in order to guarantee the temperature measurement precision.Meanwhile the self-adaptive PID control algorithm is adopted to improve the temperature control precision.Heating cooling using device of semiconductor refrigeration.and A-Pt100 temperature sensor，debugging the system repeatedly，measuring a large number of experimental data.The aspects of theory and experiment are reliable.Experimental results show that not only the measurement and control method are feasible but also the precision of this system has achieved a higher requirement.

Keywords:Platinum resistance;temperature control;high-precision;adaptive PID

0 引 言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的參數(shù)之一，溫度檢測和控制的準(zhǔn)確性直接影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]。因此，在很多工業(yè)儀器儀表中，對溫度要求嚴(yán)格。如在生化儀器中，檢測的是化學(xué)和生物方面的物品，溫度對其影響非常大，沒有一個(gè)恒定的溫度會(huì)使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差[2]。較高精度的恒溫系統(tǒng)是一個(gè)儀表儀器的有力保證。而且現(xiàn)在的儀器都是趨于小型化，便攜化的方向發(fā)展，所以研制小型化恒溫系統(tǒng)意義明顯。

針對這一情況，以單片機(jī)為控制器核心，對溫度信號(hào)進(jìn)行校正和補(bǔ)償，對溫度控制采用相關(guān)優(yōu)秀算法，并且在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)調(diào)試控制參數(shù)，控制器件采用半導(dǎo)體致冷器，它具有小巧，而且同時(shí)滿足加熱和制冷功能。使小型恒溫系統(tǒng)達(dá)到較高的要求，為解決溫度恒定控制提供了良好的基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)殂K熱電阻化學(xué)性能穩(wěn)定且具有較高的測量精度，所以測溫器件選用A級(jí)精度薄膜鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器。電橋采集溫度信號(hào)穩(wěn)定精確，所以采用其作為信號(hào)測量電路。采用分辨精度高的16位I2C總線型串行A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1119[6]。采用INA118儀表式放大芯片，它的性能穩(wěn)定，放大后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。以AT89C51芯片作為核心控制器件，芯片具有價(jià)格便宜，芯片具有高靜電保護(hù)，不怕電源抖動(dòng)。半導(dǎo)體制冷片采用TEC12706。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 恒溫系統(tǒng)原理框圖

實(shí)驗(yàn)控制對象空間是一個(gè)0.16 L空間的區(qū)域。用精密鉑熱電阻將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，然后輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，通過軟件進(jìn)行非線性校正得出溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)將所測溫度在LCD上進(jìn)行顯示，將溫度數(shù)據(jù)通過PID運(yùn)算轉(zhuǎn)化為可調(diào)的脈沖寬帶調(diào)制波。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的功率，以達(dá)到恒定溫度的目的。

1.1 測溫電路部分

電橋選用A級(jí)精度的鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器，其他三個(gè)電阻選用0.1%的100 Ω的電阻。電位器功能是調(diào)節(jié)平衡。如圖2所示。

圖2 鉑電阻測溫電橋

儀表放大芯片有很高的輸入阻抗，且其選擇了同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和溫度漂移電壓也相等，可以互相抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制比和較小的輸出漂移電壓。為了使放大芯片工作在最佳狀態(tài)下，芯片的供電電壓最好要比輸入共模電壓高1.25 V。采用單端供電方式時(shí)，選取參考電壓源約為供電電壓的1/2。通過改變電阻Rg的阻值來改變增益。G=50/Rg+1。如圖3所示。

圖3 電壓放大電路

這樣就保證了放大信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)信號(hào)有很好的穩(wěn)定性、精確性，為能更好控制溫度打下良好基礎(chǔ)。

1.2 控溫電路部分

電橋經(jīng)過放大電路輸出電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)，單片機(jī)對其進(jìn)行自校正PID控制，由單片機(jī)端口輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)。PID控制脈沖寬帶調(diào)制PWM波的占空比，通過控制光耦的通斷來控制半導(dǎo)體制冷片的加熱功率。為保證半導(dǎo)體制冷器件正常工作，要求輸入的電源電壓紋波小于10%，且在5 min內(nèi)不能改變電源的極性[8]，因此本系統(tǒng)采取濾波電路，采用兩個(gè)分立的控制電路，使得制冷單元和加熱單元完全分開，既能使電壓的紋波達(dá)到了要求，又不會(huì)突然改變半導(dǎo)體制冷器件電源的極性，使制冷器件的壽命延長。由于光藕輸出電流達(dá)不到要求，所以系統(tǒng)加入了場效應(yīng)管來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷器。如圖4所示。

圖4 控溫電路

2 系統(tǒng)的軟件部分

主程序主要處理系統(tǒng)的初始化，掃描鍵盤，采樣溫度值，對采樣數(shù)值進(jìn)行數(shù)字濾波，顯示溫度，進(jìn)行運(yùn)算和控制輸出等工作，控制算法采用自校正PID算法，這樣有利于防止超調(diào)量過大，對于加熱空間有一定的補(bǔ)償作用。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

2.1 PID控制算法

數(shù)字PID算法的增量形式為:

Δu(k)=KP+KI(xiàn)e(k)+

KD

由于溫度響應(yīng)具有遲滯性，屬于一階延時(shí)系統(tǒng)，若采用常規(guī)的PID算法控制效果不好，并且會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，為了解決這一問題設(shè)計(jì)采用自校正PID算法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看性能指標(biāo)均有提高。

Δu(k)=pKP+iKI(xiàn)e(k)+

dKD

式中:KP為比例系數(shù);KI(xiàn)為積分系數(shù);KD為微分系數(shù)。p，i，d為自校正系數(shù)。

針對被控對象參量設(shè)定一個(gè)門限值M，可把其分為三種情況，如圖6所示。

(1) 偏差值遠(yuǎn)離門限值，即e(k)>M，t3段。這時(shí)需要全速加熱即不引入微分相。比例相可以迅速反應(yīng)誤差。微分相可以減小超調(diào)量和加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

(2) 偏差值在門限值之內(nèi)，且朝差值減小的方向變化。即e(k)(k)Δe(k)<0和e(k)Δe(k)>0，t1，t4段和t2，t5段。引入積分，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖6 自校正溫度相應(yīng)圖

2.2 PID參數(shù)整定

M為恒溫箱實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差限，根據(jù)溫度變化趨勢，采用如下處理:

設(shè)計(jì)采用擴(kuò)充臨界比例法來整定，通過實(shí)驗(yàn)測量得:

u(k)=p#8226;40+

d#8226;2

(1) 當(dāng)e(k)>M， PID控制只有比例相，進(jìn)行全速加熱或制冷，偏差值越大解熱功率越高以達(dá)到迅速調(diào)整偏差的目的。p=1，i=0，d=0.5。

(2) 當(dāng)e(k)

當(dāng)e(k)Δe(k)<0，p=0.5，i=0.7，d=1。

當(dāng)e(k)Δe(k)>0，p=0.5，i=0.5，d=1.5。

3 結(jié)果分析

本系統(tǒng)加熱對象是一個(gè)容積有0.16 L的空間，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下多次實(shí)測數(shù)據(jù)表明，18 s達(dá)到所需溫度，但是會(huì)有1 ℃的超調(diào)量，經(jīng)過兩個(gè)60 s后最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且狀態(tài)比較理想。

圖7 溫度變化曲線

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)，低功耗的單片機(jī)，配合精度較高的溫度測量電路，使溫度測量準(zhǔn)確。軟件采用自校正控制算法，使測量即控制性能得到提高，該系統(tǒng)可應(yīng)用于大部分溫度控制場合。

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