一種基于STM32 和ADS1248 的數(shù)字PID 溫度控制系統(tǒng)*

賈誠(chéng)安，葉 林，葛俊鋒，陳俊良，桂 康

(華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

溫度是表征物體冷熱程度的一個(gè)常用物理量，也是諸多工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)極為重要的狀態(tài)參數(shù)，特別是在一些精密測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，其使用的核心傳感器的溫度穩(wěn)定性有可能直接影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。例如:中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所研制的發(fā)射率測(cè)量設(shè)備中所使用的光電傳感器會(huì)產(chǎn)生溫漂而影響測(cè)量效果，需要對(duì)此進(jìn)行復(fù)雜的溫度補(bǔ)償措施［1］。以單片機(jī)為核心的數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的模擬PID 調(diào)節(jié)器相比，其靈活性、可靠性和控制效果都有所提升。本文介紹了一種基于STM32 單片機(jī)和ADS1248的溫度控制系統(tǒng)，利用熱電制冷器件并采用位置型數(shù)字PID 算法可以有效地對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行控制，并且能達(dá)到較高的控制精度。

1 溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PCI 探測(cè)器為例，其內(nèi)置有熱電制冷器、Pt100熱敏電阻器、敏感元件等元器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)是以STM32 單片機(jī)、ADS1248、熱電制冷器為主要組成部分的溫度控制系統(tǒng)。其中，STM32 為核心MCU，實(shí)現(xiàn)PID 控制算法;ADS1248 為高集成度的測(cè)溫芯片，可通過(guò)自帶的SPI 接口與STM32 通信;熱電制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的半導(dǎo)體元件［2］，Pt100 熱敏電阻器作為溫度反饋信號(hào)。該系統(tǒng)主要以數(shù)字PID 方式調(diào)節(jié)STM32 片上的DAC 輸出來(lái)調(diào)節(jié)熱電制冷器的制冷量大小，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的輸出從而實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感元件溫度的精確控制。溫度值可通過(guò)上位機(jī)顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig 1 System block diagram

1.2 ADS1248 特性介紹

ADS1248 是德州儀器推出的低功耗、高集成度的24 位低噪聲溫度測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換器。其集成有低噪聲可編程增益放大器(PGA)、兩路可調(diào)大小的恒流源、單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta－Sigma ADC 振蕩器輸入切換器(input mux)、2.048 V 的電壓參考源［3］。

1.3 PCI 探測(cè)器

系統(tǒng)中使用的PCI 探測(cè)器是上海物理研究所研制的3～5 μm 的紅外探測(cè)器，廣泛應(yīng)用于航天遙感、工業(yè)實(shí)時(shí)檢測(cè)、報(bào)警、環(huán)保等領(lǐng)域。PCI 探測(cè)器的探測(cè)靈敏度與其內(nèi)置的敏感元件本身溫度有關(guān)，因此，需要對(duì)敏感元件進(jìn)行溫度控制。

熱電制冷器為一種半導(dǎo)體器件，分為冷端面和熱端面，當(dāng)電流正向流過(guò)器件時(shí)，在冷端面吸熱，在熱端面放熱，從而使冷端面溫度迅速降低［4］。敏感元件與測(cè)溫元件放置于熱電制冷器的冷端面，熱端面與外殼相連，以提供有效的散熱。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中ADS1248 溫度采集電路如圖2 所示。圖中，P1用于連接三線制的Pt100 熱敏電阻器，ADS1248 的AIN0，AIN1 作為差分輸入端，將片內(nèi)兩個(gè)恒流源配置成500μA，并通過(guò)片內(nèi)模擬開(kāi)關(guān)分別輸出連接至AIN0，AIN1。芯片的VREFOUT 和VREFCOM 為內(nèi)置2.048 V 電壓參考源的兩端，需連接1 μF 濾波電容器。R21 為參考電阻器，應(yīng)選用高精度和高穩(wěn)定性電阻器以提高采樣精度［5］。R30 為偏置電阻器。

圖2 ADS1248 溫度采集電路Fig 2 Temperature acquisition circuit based on ADS1248

2.2 制冷電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中制冷電路如圖3 所示。圖中DAC 為STM32 自帶的12 位DAC，可通過(guò)編程調(diào)節(jié)其輸出電壓大小。DAC 輸出經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后作為三極管基極電壓輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的基極電流，從而在集電極產(chǎn)生一個(gè)放大β 倍的制冷電流作用于熱電制冷器，進(jìn)而產(chǎn)生合適的制冷量對(duì)Pt100 熱敏電阻器進(jìn)行制冷。電壓跟隨器用于提高DAC 的驅(qū)動(dòng)能力。

當(dāng)DAC 輸出電壓為0 時(shí)，三極管不導(dǎo)通，熱電制冷器停止制冷，由于熱端面的熱量影響，熱電阻器溫度會(huì)極其迅速地回升。

3 PID 控溫軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID 控制過(guò)程

本系統(tǒng)采用數(shù)字PID 的控制方式，其PID 控制框圖如圖4 所示［6］。圖中，STM32 自帶的12 位DAC 為控制環(huán)節(jié)中的控制器，通過(guò)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值之差來(lái)調(diào)節(jié)DAC 的輸出值。熱電制冷器作為控制環(huán)節(jié)中的被控對(duì)象，Pt100 熱敏電阻器與ADS1248 輸出值作為控制環(huán)節(jié)中的反饋信號(hào)。熱電制冷器的制冷量大小由DAC 輸出控制，而Pt100 熱敏電阻器的溫度值隨制冷量大小而變化，可看成DAC 間接地控制Pt100 熱敏電阻器大小。

圖4 PID 控制框圖Fig 4 Block diagram of PID control

3.2 PID 控制算法

PID 控制算法在具體實(shí)現(xiàn)上有模擬PID 和數(shù)字PID 兩種。對(duì)于數(shù)字PID 控制系統(tǒng)又可分為位置型數(shù)字PID 和增量型數(shù)字PID，本系統(tǒng)中采用位置型PID，需要將模擬PID微分方程離散化變換為差分方程，用求和代替積分、用后向差分代替微分［7］。

模擬PID 表達(dá)式如式(1)所示

式中 u(t)為控制器的輸出量，對(duì)應(yīng)于本系統(tǒng)中的DAC 輸出，e(t)為偏差值，即Pt100 熱電阻器實(shí)際值與設(shè)定值之差，KP為比例常數(shù)，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間。

將模擬PID 表達(dá)式中各項(xiàng)離散化后具體表達(dá)式如式(2)所示［8］，其中，T 為采樣時(shí)間，k 為采樣序號(hào)

將式(2)代入式(1)，可得t=k 時(shí)的數(shù)字PID 離散化方程關(guān)系式

最后可將式(3)化簡(jiǎn)為

實(shí)際使用時(shí)，考慮到制冷電路中三極管的導(dǎo)通壓降的影響，為了不讓調(diào)節(jié)過(guò)慢，可加上一個(gè)基準(zhǔn)值U0，U0取三極管導(dǎo)通壓降的臨界值，最終表達(dá)式如式(5)所示［9］

數(shù)字PID 的算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5 所示。

圖5 PID 控制算法流程圖Fig 5 Flow chart of PID control algorithm

3.3 PID 參數(shù)整定

本系統(tǒng)通過(guò)試湊法來(lái)整定PID 參數(shù)，最終可得到一組效果最佳的PID 參數(shù)，其中，比例常數(shù)KP=50，積分常數(shù)KI=6，微分常數(shù)KD=2，基準(zhǔn)值U0=1000，控制過(guò)程的響應(yīng)曲線如圖6 所示。從PID 響應(yīng)曲線可以較為明顯地看出，系統(tǒng)輸出在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的超調(diào)之后逐漸地收斂到設(shè)定值，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定效果較好。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本溫度控制系統(tǒng)的有效性，在室溫條件下對(duì)PCI 探測(cè)器的冷端溫度進(jìn)行溫度控制。整個(gè)過(guò)程中先控制冷端溫度到0 ℃，再下降到－10 ℃，最后再下降到－15 ℃，溫度曲線如圖7 所示，溫度控制的精度可達(dá)到±0.1 ℃，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 論

圖6 PID 響應(yīng)曲線Fig 6 Response curve of PID

圖7 溫度控制過(guò)程曲線Fig 7 Curve of temperature control process

本系統(tǒng)以應(yīng)用范圍較廣的PCI 探測(cè)器為試驗(yàn)對(duì)象，利用STM32 和ADS1248 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字PID 算法的溫度控制系統(tǒng)，以DAC 輸出可調(diào)電壓驅(qū)動(dòng)三極管的方式來(lái)調(diào)節(jié)熱電制冷器的制冷量，進(jìn)而達(dá)到控制冷端溫度的效果，其控制精度可達(dá)±0.1 ℃。該系統(tǒng)能較好滿足溫度控制的要求，具有控制簡(jiǎn)單、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于工業(yè)上需要溫度控制的傳感器具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 于 浩，薛秀生，張 興，等.發(fā)動(dòng)機(jī)表面熱輻射率主動(dòng)式測(cè)試系統(tǒng)的研制［C］∥航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，廈門:航空工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展中心，中國(guó)航空學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)，測(cè)控技術(shù)，2014:76－79.

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