Pt 100的精密恒溫水箱測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

方 雄， 梁成文， 李凱揚(yáng)

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢 430072)

Pt 100的精密恒溫水箱測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

方 雄， 梁成文， 李凱揚(yáng)

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢 430072)

針對恒溫水浴高精度溫度控制要求，設(shè)計(jì)了一種新型恒溫水箱智能測控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為核心，使用Pt 100溫度傳感器為測溫元件，以半導(dǎo)體致冷器(TEC)為制冷元件，結(jié)合比例—積分—微分(PID)算法和脈寬調(diào)制(PWM)控制來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象溫度的精確控制。系統(tǒng)測溫范圍設(shè)定在0～60 ℃，樣機(jī)性能測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測溫精度優(yōu)于±0.05 ℃的控制要求，具有±0.01 ℃的分辨率，控溫精度±0.2 ℃。實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)可靠性好、控制精度高、性能穩(wěn)定、操作簡便及通用性強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價值和應(yīng)用推廣價值。

單片機(jī)； 溫度傳感器； 數(shù)字比例—積分—微分； 恒溫水箱

0 引 言

本文設(shè)計(jì)了一種基于Pt 100的新型精密恒溫水箱溫度測控系統(tǒng)。系統(tǒng)選用Pt 100溫度傳感器代替數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，測溫絕對精度更高、響應(yīng)速度更快、穩(wěn)定性更好；采用MSP430單片機(jī)作為主控制器，相比一般單片機(jī)具有超低功耗、處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；通過增量式PID算法和脈寬調(diào)制(PWM)功能來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象溫度的精準(zhǔn)控制。本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體制冷器(TEC)當(dāng)作系統(tǒng)的制熱和制冷的裝置，相比普通制冷器具備特有的加熱和制冷功能，有著無污染、壽命長、制冷速率大等許多優(yōu)點(diǎn)，并且TEC器件是電流驅(qū)動器件，易于形成反饋系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

本文所設(shè)計(jì)的恒溫水箱系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。系統(tǒng)利用熱敏電阻Pt 100[4]當(dāng)作溫度傳感器獲取實(shí)時溫度。熱敏電阻Pt 100將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路、低通濾波以后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)用其自帶的ADC10將電壓信號采樣、量化；獲得的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)和目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)通過PID算法處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號經(jīng)功率驅(qū)動電路來控制TEC器件制熱或制冷。PID算法是按偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。由于半導(dǎo)體制冷片是電流換能型器件[5]，系統(tǒng)通過微處理器的PWM功能控制輸入電流，即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)溫度的高精度控制。系統(tǒng)選用的TEC和水箱是相互獨(dú)立的，單獨(dú)對一部分水加熱或制冷，兩者通過智能蠕動泵形成了一個自動控溫水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控CPU模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用美國TI公司的MSP430單片機(jī)[6]作為主控制器，其內(nèi)部自帶8路10位200 ksps的ADC通道，因此在測溫電路中不需外加A/D轉(zhuǎn)換芯片，使硬件電路得以簡化。除此之外，MSP430單片機(jī)還有兩個定時器，16 kB的程序存儲空間以及512B的數(shù)據(jù)存儲空間，完全能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)的功能。

2.2 電源模塊

恒溫水箱控制系統(tǒng)里，由于溫度測量電路、單片機(jī)、TEC器件、散熱片和蜂鳴器等功率電路對電源有各自的需求，必須進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)。單片機(jī)的供電電壓介于1.8～3.6 V，需獨(dú)立供電。本系統(tǒng)利用可控精密穩(wěn)壓器件TL431來實(shí)現(xiàn)一個穩(wěn)定的3.3 V電壓源。溫度采集模塊中的儀表放大器AD620需要雙電源供電，同時要求電源紋波很小，系統(tǒng)利用三端穩(wěn)壓芯片LM7805和LM7905得到±5 V的電壓，然后在輸入輸出端分別增加2個大小不同的旁路電容去除電源紋波。由于本系統(tǒng)采用的TEC器件最大電流可達(dá)到6 A，所以TEC器件選用12 V的大功率開關(guān)電源供電。

2.3 溫度采集模塊

1.2.1.2.5素養(yǎng)制定治療室及配藥室的各項(xiàng)行為規(guī)范手冊，使用藥品后盡早放回原處，操作后配藥室的臺面污垢，污漬，藥漬及時清理，保潔員及護(hù)士也要定期對治療室進(jìn)行清掃，強(qiáng)調(diào)醫(yī)療工作者的責(zé)任感，集體榮譽(yù)感和團(tuán)隊(duì)合作精神。

圖2 溫度采集模塊電路圖

2.4 人機(jī)交互模塊

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用3個按鍵來完成溫度設(shè)定的功能，其中，K1為設(shè)置按鍵，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作時按下此按鍵，可使系統(tǒng)停止工作，此時可設(shè)置目標(biāo)溫度，再次按下此鍵返回到正常工作狀態(tài)；K2、K3功能為加、減。數(shù)據(jù)顯示輸出選用液晶LCD-CH12232B作為顯示器件，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 TEC驅(qū)動電路模塊

半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，也能加熱，因此使用一個TEC就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。而半導(dǎo)體制冷片的加熱和制冷工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換只需要改變工作電流的方向，所以，本系統(tǒng)采用H橋電路[8]作為TEC器件的功率驅(qū)動電路，電路圖如圖3所示。由于功率MOS管是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(guān)動作需要，因此采用2個P溝道功率MOS管IRF9540和2個N溝道功率MOS管IRF540構(gòu)成H橋電路的橋臂。由于單片機(jī)輸出高電平僅有3.3 V，并且工作電流不大，通常不具有驅(qū)動能力。出于保護(hù)單片機(jī)和防止強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓干擾，將場效應(yīng)管柵極和微處理器的輸出端口用光耦P521進(jìn)行隔離。如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)的P1.6引腳輸出高電平，P1.7引腳輸出低電平時，U10導(dǎo)通，U11截止；Q5和Q6導(dǎo)通，Q4和Q7截止，于是在半導(dǎo)體制冷片兩端形成12 V電壓差，制冷片開始加熱(或制冷)。同理當(dāng)P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時，此時半導(dǎo)體制冷片電壓翻轉(zhuǎn)，原來加熱(或制冷)的一面開始制冷(或加熱)。

圖3 TEC驅(qū)動電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)中，由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序3部分組成。由于系統(tǒng)使用的微處理器為TI公司的16位MSP430G2553單片機(jī)，所以選用IAR Embedded Workbench 5.5軟件開發(fā)和調(diào)試，采用嵌入式C語言編程實(shí)現(xiàn)，溫度控制核心程序基于增量式PID算法思想設(shè)計(jì)，有效地降低了調(diào)溫過程的超調(diào)振蕩，顯著提高了調(diào)溫精度。

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖如圖4所示，基于中斷控制方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用主通道和次通道兩路進(jìn)行溫度采集，每秒進(jìn)行1次采樣，2個通道輪流采樣，每個通道的采樣周期為2 s。主通道溫度主要用于判斷程序的走向。如果主通道溫度高于目標(biāo)溫度，系統(tǒng)工作在冷卻模式；相反，如果主通道溫度低于目標(biāo)溫度，系統(tǒng)工作在加熱模式。單片機(jī)將主通道A/D轉(zhuǎn)換后得到的采樣值換算為溫度，并通過PID算法控制加熱或制冷的速率，使恒溫水箱中的水保持恒溫。次通道的主要作用在于判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，并及時采用相應(yīng)的措施以防出現(xiàn)更加嚴(yán)重的后果。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

本系統(tǒng)需要完成以下功能：對溫度進(jìn)行全自動控制，調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度，當(dāng)系統(tǒng)出錯或出現(xiàn)故障時做出相應(yīng)的處理，因此程序中涉及到的中斷源包括：定時器觸發(fā)、ADC10轉(zhuǎn)換完成觸發(fā)、外部端口中斷觸發(fā)。除上述所需完成的功能外，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，例如實(shí)時溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波處理、由PID算法計(jì)算出占空比以實(shí)現(xiàn)對設(shè)定溫度的逼近控制等。

3.2 數(shù)字PID算法

數(shù)字PID算法[9]是整個控溫程序的核心，也是控溫的基礎(chǔ)。由于增量式PID算法相比于位置式的控制精度更高，所以本系統(tǒng)選用增量式PID算法，公式如下

Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

對算法中的重要參數(shù)KP,KI，KD的整定是影響控溫效果的關(guān)鍵。 本系統(tǒng)采用工程整定方法確定PID的參數(shù)，常用的包括臨界比例法、反應(yīng)曲線法以及衰減法。采用前面的方法或者事先指定其中的某一參數(shù)，在調(diào)試過程中選擇性地改變其他參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來逐步確定另外幾個參數(shù)。不管運(yùn)用哪一種方法確定的控制器參數(shù)，最終還是要求在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最后調(diào)節(jié)和完善[10]。

4 測試分析

為驗(yàn)證恒溫水箱系統(tǒng)性能，成功研制了恒溫水循環(huán)系統(tǒng)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)物測試。

由于Pt 100鉑電阻器阻值隨溫度變化關(guān)系并不是一條直線，且受運(yùn)算放大電路中晶體管的漂移等因素影響，所以對于檢測到的電壓值需要與精度為0.01 ℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)并擬合，獲得曲線關(guān)系。實(shí)驗(yàn)記錄了主通道和次通道在30～55 ℃每隔1 ℃時單片機(jī)的10位ADC的采樣值n，10位ADC的參考電壓是2.5 V，計(jì)算得到實(shí)際電壓值為

(2)

運(yùn)用Matlab對兩路通道數(shù)據(jù)實(shí)行二次線性擬合，如圖5所示。可以看出，雖然兩路溫度采集電路模塊參數(shù)設(shè)定完全相同，但次通道的電壓值比對應(yīng)的主通道電壓值平均高0.31V左右，研究分析是恒流源電路中的參考電阻阻值的微小誤差和在運(yùn)算放大器電路中滑動變阻器阻值調(diào)整的不精確造成放大倍數(shù)的誤差疊加導(dǎo)致的。但圖中的結(jié)果反映出，兩路溫度各自的線性度都良好，因此只需使用不同的擬合模型就能分別計(jì)算出兩路溫度值。Matlab中由兩路數(shù)據(jù)得到的擬合系數(shù)如下：

圖5 Pt 100溫度校準(zhǔn)曲線圖

主通道：a=0.086 6，b=5.911 5，c=232.776 5

次通道：a=-0.045 5，b=17.828 5，c=113.249 1

單片機(jī)的float類型占4個字節(jié)，計(jì)算很高精度的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)十分困難。觀察可知主通道和次通道擬合曲線的二次項(xiàng)系數(shù)都遠(yuǎn)小于1，因此可近似作一次線性擬合處理。

為了測試系統(tǒng)的測溫精度和分辨率，使用精度為0.01 ℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定，經(jīng)過多次設(shè)置不同的目標(biāo)溫度，記錄系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時水箱中水的實(shí)時顯示溫度，實(shí)時實(shí)際溫度和TEC器件的實(shí)時加熱或制冷狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)顯示溫度和實(shí)際溫度的差值的絕對值最大為0.03 ℃，即測溫精度優(yōu)于±0.05 ℃；并且當(dāng)顯示溫度超過(或低于)設(shè)定目標(biāo)溫度0.01 ℃時，TEC器件立即會開始制冷(或加熱)，即具有±0.01 ℃的分辨率。

PID控制的參數(shù)整定是影響控溫效果好壞的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用工程整定方法確定PID的參數(shù)。設(shè)定目標(biāo)溫度為30 ℃，實(shí)行PID參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)，記錄了令I(lǐng)=0.2P，D=1.25P，在不同P參數(shù)下系統(tǒng)在設(shè)定溫度附近最大顯示溫度Tmax和最小顯示溫度Tmin的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

從表1可以看出：當(dāng)P=20，I=0.2P，D=1.25P時，控溫精度為±0.17 ℃，溫度趨近于設(shè)定溫度的時間最短最快，并且超調(diào)振蕩較低，因此選擇這組數(shù)據(jù)作為本系統(tǒng)PID控制的系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測溫精度和控溫精度較高，調(diào)溫過程的超調(diào)震蕩較低，實(shí)用價值較高。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)性能測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)測溫精度可以達(dá)到±0.05 ℃，具有±0.01 ℃的分辨率，控溫精度±0.2 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。Pt 100相比于DS18B20絕對精度更高、響應(yīng)速度更快、穩(wěn)定性更好；實(shí)際應(yīng)用表明TEC控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作簡便，控制精度高，通用性強(qiáng)，可以滿足科學(xué)研究、醫(yī)療保健及工業(yè)場合較高的精度要求，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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方 雄(1994- ),男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)與嵌入式研發(fā)。

李凱揚(yáng)(1963- ),男，通訊作者,教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物組織光學(xué)與醫(yī)學(xué)影像研究工作，E-mail：lky@whu.edu.cn。

Design of precise temperature control system for constant temperature water tank based on Pt 100*

FANG Xiong, LIANG Cheng-wen, LI Kai-yang

(Department of Electronics Science and Technology,School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072，China)

Aiming at requirement of high precision temperature control of stationary temperature water tank,a novel intelligent control system of constant temperature water tank is designed and implemented.The system uses MSP430 MCU as control core,Pt 100 platinum resistance as temperature measurement devices,thermo-electric cooler(TEC)devices as refrigeration components.Combined with proportion-integration-differentiation(PID)algorithms and pulse-width modulation(PWM)control to achieve precise control for temperature of the target object.Temperature control system test range is set to 0～50 ℃,and performance test results of the prototype show that the system can realize temperature control requirements of precision prior to ±0.05 ℃,with a resolution of ±0.01 ℃ and a temperature control precision of ±0.2 ℃.Practical application show that this temperature control system has high reliability,high control precision,stable performance,easy operation,and high universality,so it has high practical value and application promotion value.

microcontroller; temperature sensor; numeric PID; stationary temperature water tank

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0100—04

2016—04—18

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ160203)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0100—04