何 峰，周 蒙，張 浩，王小浩，張龍賜，李松輝，曾佳慧

（中國電子科技集團公司第四十八研究所 薄膜傳感技術湖南省國防重點實驗室，湖南 長沙 410111）

0 引 言

電阻式薄膜氫氣傳感器在合適的溫度下其精度和響應速度都會提高，但過高的溫度可能帶來安全風險，過低的溫度會導致其靈敏度降低[1]。因此，要使傳感器獲得較高的精度和響應速度，氫敏芯體應工作在某一恒定的溫度環(huán)境中[2-5]。同時氫敏芯體的輸出對溫度也十分敏感，微小溫度波動帶來的噪聲可能將有用的氣體濃度信號淹沒，這對控溫精度也提出了很高的要求。

本文采用數(shù)字PID控制方案，使氫敏芯體溫度穩(wěn)定在目標溫度。該系統(tǒng)響應速度快、控溫精度高、電路結構簡單、參數(shù)調整簡單，滿足氫氣傳感器的高精度快響應測量需求[6-12]。

1 系統(tǒng)方案設計

薄膜氫敏芯體的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由鉑電阻、電橋電路和運放電路組成高精度測溫電路，鉑電阻PT1000對氫敏芯體溫度進行測量，通過電橋電路和運放電路將信號進行放大，送入單片機進行A/D轉換。采用32位單片機STM32F103C8T6將溫度信號解調后將其送入溫度PID程序中，通過PID算法解算出PWM占空比，輸出PWM占空比信號至MOS管驅動電路。通過MOS驅動電路對加熱電阻進行加熱控制，加熱電阻集成在氫敏芯體上。當外界溫度擾動時，通過鉑電阻測溫這一反饋環(huán)路和PID控制算法，不斷調節(jié)PWM占空比，實現(xiàn)氫敏芯體的溫度穩(wěn)定控制。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 鉑電阻測溫電路

鉑電阻測溫電路由PT1000鉑電阻、電橋電路和運放電路組成，如圖2所示。電橋電路采用恒壓工作調理，由高精度參考電源芯片REF1933提供電橋所需的3.3 V電源，R17、R10、PT1、R21、R11和 R5組成電橋電路。

圖2 鉑電阻測溫電路

R14、R16、R9、R22和U2A組成差分運放電路，其中R14=R16，R9=R22，差分運放的放大比例為R9/R14，C24和C13為濾波電容。R15和C14構成RC濾波器，D1是防止運放輸出超量程燒毀單片機的A/D口。單片機內(nèi)部自帶的12位ADC進行溫度轉換，經(jīng)過溫度換算，測量精度為±0.05 ℃。

2.2 MOS驅動電路

系統(tǒng)加熱采用PWM波控制MOS管通斷實現(xiàn)，其驅動電路如圖3所示。圖中R26為限流電阻，Q3和R24為第一級放大電路，可提高單片機的驅動能力。Q1和Q2組成圖騰驅動，驅動能力大大提升，采用大功率三極管驅動電流可達2 A，完全滿足MOS管的驅動需求。R25能有效減小MOS管G極振鈴，D2可加快MOS關斷，減小損耗，R27防止G極誤導通。VCC為加熱電阻R23的工作電源，MOS管Q2交替導通，控制加熱電阻通斷，C25為吸收電容，保護MOS管漏極。芯體加熱到80 ℃所需熱量約為0.5 W，本電路設計完全符合加熱需求。

圖3 MOS驅動電路

3 軟件設計

氫敏芯體的溫度控制是一個反饋調節(jié)過程，也是不規(guī)則損失輸出，能利用單片機采集芯體的實際溫度與內(nèi)部設定的溫度進行比較，得到偏差，將偏差的比例P、積分I、微分D通過運算合成控制量，即PWM的占空比，通過調節(jié)占空比來實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制[13]，PID算法的模擬表達式為[14]：

式中：u(t)為輸出；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；e(t)為偏差。對其進行離散處理得到：

式中：T為采樣周期；k為采樣序號；e(k)為第k次采樣偏差值；u(k)為第k次輸出。上式為位置式PID算法，需要對每一次誤差進行累加，這種算法占用了較多單片機的資源，因此通常對上式取增量得到增量式PID算法[15-17]，其公式為：

式中，Δu(k)為輸出增量，其中：

控制系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

圖4 程序流程

系統(tǒng)上電后進行初始化，首先對比例、微分、積分和目標溫度等賦初值，單片機A/D口檢測氫敏芯體當前溫度u(k)，并計算當前溫度與目標溫度的偏差e(k)，計算輸出增量Δu(k)，令上次偏差e(k-1)=e(k)和上兩次偏差e(k-2)=e(k-1)，令上次輸出u(k-1)=u(k)。將u(k)換算成占空比，通過單片機的定時器輸出PWM信號，PWM信號經(jīng)過放大驅動MOS管，控制加熱電路的加熱功率，然后進行下一輪的溫度檢測和占空比計算，直至氫敏芯體溫度達到目標溫度[17-20]。

4 樣機實驗

將樣機放置于室溫環(huán)境，在程序中把氫敏芯體的目標溫度設定為85 ℃，比例系數(shù)設定為8.0，積分系數(shù)設定為2.2，微分系數(shù)設定為5.0，PWM信號的頻率為20 kHz，PID執(zhí)行速率為5 ms/次，對氫氣傳感器進行階躍響應測試和長期控溫測試，傳感器開機后的階躍響應波形如圖5所示。

圖5 傳感器階躍響應

從圖5中可以看出，系統(tǒng)的超調量約為10%，調節(jié)時間約為130 s，溫度穩(wěn)定時間很快，符合氫氣測量需求，要調整超調量和調節(jié)時間只需在軟件里修改PID參數(shù)即可。穩(wěn)態(tài)下氫敏芯體的溫度如圖6所示。從圖6中可以看出，氫敏芯體的溫度穩(wěn)定在85.1 ℃附近，控溫精度為±0.1 ℃，能夠大大減小因溫度引起的氫氣傳感器的噪聲，具備優(yōu)良的信噪比，符合氫氣傳感器的控溫需求。

圖6 穩(wěn)態(tài)下氫敏芯體溫度

5 結 語

本文研究了一種薄膜氫氣傳感器的數(shù)字PID控溫系統(tǒng)，通過數(shù)字PID算法調節(jié)PWM占空比大小，驅動電路控制加熱電阻。實驗結果表明，設計的薄膜氫氣傳感器數(shù)字PID控溫系統(tǒng)能夠實現(xiàn)氫敏芯體溫度的快速響應、高精度控制，滿足氫氣傳感器的控溫需求，具有一定的實際應用價值，同時對薄膜氫氣傳感器的數(shù)字PID控溫系統(tǒng)的研發(fā)具有參考價值。