小型高精度恒溫系統的研究

摘 要:介紹一種小型高精度恒溫控制系統，該系統以AT89C51單片機為控制核心，由前端信號調理電路和放大電路組成，用A級Pt100作為溫度傳感器，針對鉑電阻測溫存在非線性的特點，從軟件方面進行校正，以保證測量準確度。同時在算法控制上采用比傳統的PID更加好的自校正PID算法。控溫采用半導體制冷器。經對研制的小型恒溫系統進行反復調試，并測量了大量的實驗數據，證明其在理論和實驗上都具有可靠性。實驗結果表明，不僅測量和控制方法是可行的，而且控制精度達到了較高的水平。

關鍵詞:鉑電阻;溫度控制;高精度;自適應PID

中圖分類號:TP368文獻標識碼:A

文章編號: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

溫度是工業生產中相當重要的參數之一，溫度檢測和控制的準確性直接影響產品的穩定性和準確性[1]。因此，在很多工業儀器儀表中，對溫度要求嚴格。如在生化儀器中，檢測的是化學和生物方面的物品，溫度對其影響非常大，沒有一個恒定的溫度會使測量結果產生誤差[2]。較高精度的恒溫系統是一個儀表儀器的有力保證。而且現在的儀器都是趨于小型化，便攜化的方向發展，所以研制小型化恒溫系統意義明顯。

針對這一情況，以單片機為控制器核心，對溫度信號進行校正和補償，對溫度控制采用相關優秀算法，并且在實驗中反復調試控制參數，控制器件采用半導體致冷器，它具有小巧，而且同時滿足加熱和制冷功能。使小型恒溫系統達到較高的要求，為解決溫度恒定控制提供了良好的基礎。

1 硬件設計

因為鉑熱電阻化學性能穩定且具有較高的測量精度，所以測溫器件選用A級精度薄膜鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器。電橋采集溫度信號穩定精確，所以采用其作為信號測量電路。采用分辨精度高的16位I2C總線型串行A/D轉換芯片MAX1119[6]。采用INA118儀表式放大芯片，它的性能穩定，放大后數據準確。以AT89C51芯片作為核心控制器件，芯片具有價格便宜，芯片具有高靜電保護，不怕電源抖動。半導體制冷片采用TEC12706。系統原理圖如圖1所示。

圖1 恒溫系統原理框圖

實驗控制對象空間是一個0.16 L空間的區域。用精密鉑熱電阻將溫度信號轉化為電壓信號，通過放大后進入A/D轉換器，然后輸出的數字信號進入單片機，通過軟件進行非線性校正得出溫度數據。同時將所測溫度在LCD上進行顯示，將溫度數據通過PID運算轉化為可調的脈沖寬帶調制波。通過調節PWM波的占空比來調節半導體制冷片的功率，以達到恒定溫度的目的。

1.1 測溫電路部分

電橋選用A級精度的鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器，其他三個電阻選用0.1%的100 Ω的電阻。電位器功能是調節平衡。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，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進入單片機信號有很好的穩定性、精確性，為能更好控制溫度打下良好基礎。

1.2 控溫電路部分

電橋經過放大電路輸出電壓信號經A/D轉換后送入到單片機，單片機對其進行自校正PID控制，由單片機端口輸出相應的PWM信號。PID控制脈沖寬帶調制PWM波的占空比，通過控制光耦的通斷來控制半導體制冷片的加熱功率。為保證半導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內不能改變電源的極性[8]，因此本系統采取濾波電路，采用兩個分立的控制電路，使得制冷單元和加熱單元完全分開，既能使電壓的紋波達到了要求，又不會突然改變半導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不到要求，所以系統加入了場效應管來驅動半導體致冷器。如圖4所示。

圖4 控溫電路

2 系統的軟件部分

主程序主要處理系統的初始化，掃描鍵盤，采樣溫度值，對采樣數值進行數字濾波，顯示溫度，進行運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量過大，對于加熱空間有一定的補償作用。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

數字PID算法的增量形式為:

Δu(k)=KP+KIe(k)+

KD

由于溫度響應具有遲滯性，屬于一階延時系統，若采用常規的PID算法控制效果不好，并且會出現較大的超調量，為了解決這一問題設計采用自校正PID算法，從實驗結果看性能指標均有提高。

Δu(k)=pKP+iKIe(k)+

dKD

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

針對被控對象參量設定一個門限值M，可把其分為三種情況，如圖6所示。

(1) 偏差值遠離門限值，即e(k)>M，t3段。這時需要全速加熱即不引入微分相。比例相可以迅速反應誤差。微分相可以減小超調量和加快動態響應速度。

(2) 偏差值在門限值之內，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，消除穩態誤差。

圖6 自校正溫度相應圖

2.2 PID參數整定

M為恒溫箱實際溫度與設定溫度偏差限，根據溫度變化趨勢，采用如下處理:

設計采用擴充臨界比例法來整定，通過實驗測量得:

u(k)=p#8226;40+

d#8226;2

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

(2) 當e(k)

當e(k)Δe(k)<0，p=0.5，i=0.7，d=1。

當e(k)Δe(k)>0，p=0.5，i=0.5，d=1.5。

3 結果分析

本系統加熱對象是一個容積有0.16 L的空間，在實驗室環境下多次實測數據表明，18 s達到所需溫度，但是會有1 ℃的超調量，經過兩個60 s后最終達到穩定狀態，并且狀態比較理想。

圖7 溫度變化曲線

4 結 語

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

參考文獻

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