摘 要:介绍一种小型高精度恒温控制系统,该系统以AT89C51单片机为控制核心,由前端信号调理电路和放大电路组成,用A级Pt100作为温度传感器,针对铂电阻测温存在非线性的特点,从软件方面进行校正,以保证测量准确度。同时在算法控制上采用比传统的PID更加好的自校正PID算法。控温采用半导体制冷器。经对研制的小型恒温系统进行反复调试,并测量了大量的实验数据,证明其在理论和实验上都具有可靠性。实验结果表明,不仅测量和控制方法是可行的,而且控制精度达到了较高的水平。
关键词:铂电阻;温度控制;高精度;自适应PID
中图分类号:TP368文献标识码:A
文章编号: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
温度是工业生产中相当重要的参数之一,温度检测和控制的准确性直接影响产品的稳定性和准确性[1]。因此,在很多工业仪器仪表中,对温度要求严格。如在生化仪器中,检测的是化学和生物方面的物品,温度对其影响非常大,没有一个恒定的温度会使测量结果产生误差[2]。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。而且现在的仪器都是趋于小型化,便携化的方向发展,所以研制小型化恒温系统意义明显。
针对这一情况,以单片机为控制器核心,对温度信号进行校正和补偿,对温度控制采用相关优秀算法,并且在实验中反复调试控制参数,控制器件采用半导体致冷器,它具有小巧,而且同时满足加热和制冷功能。使小型恒温系统达到较高的要求,为解决温度恒定控制提供了良好的基础。
1 硬件设计
因为铂热电阻化学性能稳定且具有较高的测量精度,所以测温器件选用A级精度薄膜铂热电阻Pt100作为温度传感器。电桥采集温度信号稳定精确,所以采用其作为信号测量电路。采用分辨精度高的16位I2C总线型串行A/D转换芯片MAX1119[6]。采用INA118仪表式放大芯片,它的性能稳定,放大后数据准确。以AT89C51芯片作为核心控制器件,芯片具有价格便宜,芯片具有高静电保护,不怕电源抖动。半导体制冷片采用TEC12706。系统原理图如图1所示。
图1 恒温系统原理框图
实验控制对象空间是一个0.16 L空间的区域。用精密铂热电阻将温度信号转化为电压信号,通过放大后进入A/D转换器,然后输出的数字信号进入单片机,通过软件进行非线性校正得出温度数据。同时将所测温度在LCD上进行显示,将温度数据通过PID运算转化为可调的脉冲宽带调制波。通过调节PWM波的占空比来调节半导体制冷片的功率,以达到恒定温度的目的。
1.1 测温电路部分
电桥选用A级精度的铂热电阻Pt100作为温度传感器,其他三个电阻选用0.1%的100 Ω的电阻。电位器功能是调节平衡。如图2所示。
图2 铂电阻测温电桥
仪表放大芯片有很高的输入阻抗,且其选择了同相端作为输入端,则它们的共模输出电压和温度漂移电压也相等,可以互相抵消,故它有很强的共模抑制比和较小的输出漂移电压。为了使放大芯片工作在最佳状态下,芯片的供电电压最好要比输入共模电压高1.25 V。采用单端供电方式时,选取参考电压源约为供电电压的1/2。通过改变电阻Rg的阻值来改变增益。G=50/Rg+1。如图3所示。
图3 电压放大电路
这样就保证了放大信号进入单片机信号有很好的稳定性、精确性,为能更好控制温度打下良好基础。
1.2 控温电路部分
电桥经过放大电路输出电压信号经A/D转换后送入到单片机,单片机对其进行自校正PID控制,由单片机端口输出相应的PWM信号。PID控制脉冲宽带调制PWM波的占空比,通过控制光耦的通断来控制半导体制冷片的加热功率。为保证半导体制冷器件正常工作,要求输入的电源电压纹波小于10%,且在5 min内不能改变电源的极性[8],因此本系统采取滤波电路,采用两个分立的控制电路,使得制冷单元和加热单元完全分开,既能使电压的纹波达到了要求,又不会突然改变半导体制冷器件电源的极性,使制冷器件的寿命延长。由于光藕输出电流达不到要求,所以系统加入了场效应管来驱动半导体致冷器。如图4所示。
图4 控温电路
2 系统的软件部分
主程序主要处理系统的初始化,扫描键盘,采样温度值,对采样数值进行数字滤波,显示温度,进行运算和控制输出等工作,控制算法采用自校正PID算法,这样有利于防止超调量过大,对于加热空间有一定的补偿作用。主程序流程图如图5所示。
图5 软件流程图
2.1 PID控制算法
数字PID算法的增量形式为:
Δu(k)=KP+KIe(k)+
KD
由于温度响应具有迟滞性,属于一阶延时系统,若采用常规的PID算法控制效果不好,并且会出现较大的超调量,为了解决这一问题设计采用自校正PID算法,从实验结果看性能指标均有提高。
Δu(k)=pKP+iKIe(k)+
dKD
式中:KP为比例系数;KI为积分系数;KD为微分系数。p,i,d为自校正系数。
针对被控对象参量设定一个门限值M,可把其分为三种情况,如图6所示。
(1) 偏差值远离门限值,即e(k)>M,t3段。这时需要全速加热即不引入微分相。比例相可以迅速反应误差。微分相可以减小超调量和加快动态响应速度。
(2) 偏差值在门限值之内,且朝差值减小的方向变化。即e(k)
图6 自校正温度相应图
2.2 PID参数整定
M为恒温箱实际温度与设定温度偏差限,根据温度变化趋势,采用如下处理:
设计采用扩充临界比例法来整定,通过实验测量得:
u(k)=p•40+
d•2
(1) 当e(k)>M, PID控制只有比例相,进行全速加热或制冷,偏差值越大解热功率越高以达到迅速调整偏差的目的。p=1,i=0,d=0.5。
(2) 当e(k) 当e(k)Δe(k)<0,p=0.5,i=0.7,d=1。 当e(k)Δe(k)>0,p=0.5,i=0.5,d=1.5。 3 结果分析 本系统加热对象是一个容积有0.16 L的空间,在实验室环境下多次实测数据表明,18 s达到所需温度,但是会有1 ℃的超调量,经过两个60 s后最终达到稳定状态,并且状态比较理想。 图7 温度变化曲线 4 结 语 本系统采用抗干扰能力强,低功耗的单片机,配合精度较高的温度测量电路,使温度测量准确。软件采用自校正控制算法,使测量即控制性能得到提高,该系统可应用于大部分温度控制场合。 参考文献 [1]国强,王淑钧.高精度恒温连续可调型温控器的设计[J].应用科技,2003(30):1-3. [2]程汉湘,姚齐国.外冷器温差检测系统[J].自动化仪表,2003(24):29-32. [3]张敬怀,杨东安.单片机水温控制系统[J].北京电子科技学院学报,1998(1):22-23. [4]邹思.基于模糊理论的电阻炉温度控制[J].仪表技术与传感器,2000(10):41-42. [5]刘大伟,李续友.基于DSP的多路温度控制系统的设计[J].仪表技术与传感器,2004(8):51-54. [6]文小玲.高精度温度测控系统[J].仪表技术与传感器,2007(8):46-47. [7]龚瑞昆,李静源.高精度铂电阻测温系统的实现[J].仪表技术,2008(7):9-10. [8]洪金海.基于半导体致冷器件的恒温系统[J].中国高新技术企业,2008(21):6-7. [9]宋洪才.浅析PID参数整定[J].中国计量,2003(11):45. [10]邵文秀,程明宵.高精度智能PID控制[J].现代电子技术,2004,27(19):9-10.