變系數(shù)PID控溫系統(tǒng)在半導(dǎo)體氣體傳感器中的應(yīng)用*

陳宜軍， 郭興敏

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083)

變系數(shù)PID控溫系統(tǒng)在半導(dǎo)體氣體傳感器中的應(yīng)用*

陳宜軍， 郭興敏

(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083)

提出了一種用于半導(dǎo)體氣體傳感器的溫度控制電路，包含鍵盤輸入、液晶顯示、溫度采集、數(shù)控調(diào)壓等模塊，采用變系數(shù)PID算法實現(xiàn)對降壓模塊輸出電壓的調(diào)控，控制氣敏元件的溫度。實驗表明：與恒壓加熱和常規(guī)PID控溫相比，變系數(shù)PID控溫的調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小，具有較強的抗干擾能力。350 ℃加熱時，與恒壓加熱相比調(diào)節(jié)時間從234 s縮短到了6 s，當(dāng)環(huán)境溫度從30 ℃變化到50 ℃時恒壓加熱敏感元件溫度上升9 ℃，而改進(jìn)后溫度變化不超過0.3 ℃,是一種很有潛力的半導(dǎo)體型氣體傳感器控溫系統(tǒng)。

半導(dǎo)體氣體傳感器； 單片機(jī)； 溫度控制； 變系數(shù)PID

0 引 言

半導(dǎo)體型氣體傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低廉、制造簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氣體檢測領(lǐng)域[1]。但其對溫度非常敏感，工作溫度波動的噪聲通常會掩蓋氣體濃度的有效信號，影響著對氣體濃度檢測的穩(wěn)定性與可靠性，因而為氣敏元件提供穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境非常重要。

一般的半導(dǎo)體型氣體檢測裝置常以恒壓電阻加熱方式為氣敏元件供熱[2]，當(dāng)外界環(huán)境變化，易導(dǎo)致溫度產(chǎn)生較大偏離。最近，董克冰等人將PID概念引入半導(dǎo)體氣體傳感器的溫度控制，通過模擬溫控取得了較好的效果[3]，但是使用時仍具有靈活性差的問題。本文以單片機(jī)為核心，將PID算式離散化實現(xiàn)數(shù)字控制[4]，提出了一種自動調(diào)壓控溫電路，以達(dá)到穩(wěn)定控溫，使用靈活的目的。

1 實驗方法

1.1 氣敏元件與轉(zhuǎn)換電路

采用金屬陶瓷加熱片、Pt100熱敏電阻、叉指電極和半導(dǎo)體薄膜組成氣敏元件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。加熱片溫度受加熱端電壓控制，可由熱敏電阻實時測得。加熱片溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值后，測量濃度測量端的阻值，換算得到待測氣體濃度值輸出至顯示元件。

圖1 氣敏元件結(jié)構(gòu)

以單片機(jī)為自動調(diào)壓溫控系統(tǒng)的核心，相關(guān)硬件框圖如圖2所示。金屬陶瓷加熱片的目標(biāo)溫度值由按鍵模塊設(shè)定，實時溫度由溫度采集模塊測得。液晶屏顯示溫度設(shè)定值和讀取的實時溫度，單片機(jī)根據(jù)兩者的差值控制數(shù)字電位器，改變模塊的輸出電壓。通過實時溫度和設(shè)定溫度反復(fù)比對，完成了閉環(huán)控制。

圖2 氣體傳感器溫控系統(tǒng)框圖

溫度采集模塊實現(xiàn)溫度信號由模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)控降壓模塊實現(xiàn)電壓輸出量由數(shù)字量向模擬量的轉(zhuǎn)換，信號轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示。

圖3 信號轉(zhuǎn)換模塊電路

溫度采集模塊電路，如圖3(a)所示。附著于加熱片背面的熱敏電阻Pt100與精密固定電阻器R1串聯(lián)后接3.3V穩(wěn)壓電源，其分壓值由ADS1115模/數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]測得并傳至單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)Pt100與R1的分壓比計算出Pt100阻值，獲得實際溫度Tn。

數(shù)控降壓模塊，由可調(diào)降壓芯片與數(shù)字變阻器組成，如圖3(b)所示。由兩個X9C102數(shù)字電位器串聯(lián)組成的數(shù)字變阻器，擁有200個滑動抽頭，電阻步進(jìn)值約10Ω，阻值Rx變化范圍80～2000Ω。LM2596可調(diào)降壓芯片內(nèi)含1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，輸出電壓值Uout由變阻器阻值Rx和固定電阻器R4比值決定

(1)

單片機(jī)根據(jù)變系數(shù)PID運算結(jié)果，將輸出電壓變化量的計算值與模塊可實現(xiàn)的最大電壓變化量比值，按比例換算成-200～200之間的整數(shù)，控制滑動端上調(diào)或下調(diào)的步數(shù)，以改變數(shù)字變阻器的阻值Rx，從而完成對模塊實際輸出電壓值Uout的控制。

1.2 變系數(shù)PID算法原理

離散化的增量型PID[6]算式為

Δun=KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2)

(2)

式中KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)； Δun為控制器第n次采樣時電壓輸出變化量；en為設(shè)定溫度Tset與第n次的采樣溫度Tn的差值。

控溫系統(tǒng)實施效果與PID系數(shù)的選擇密切相關(guān)，通常PID系數(shù)在某一設(shè)定溫度值下調(diào)定，但當(dāng)設(shè)定值改變時，控制的表現(xiàn)欠佳。系數(shù)整定也無法同時兼顧溫度調(diào)節(jié)的快速性和穩(wěn)定性，往往通過犧牲前者來保障后者[7]。針對以上問題，提出了一種變系數(shù)PID算法，以改善控溫性能。具體步驟如下：

1)比例系數(shù)KP自整定函數(shù)

由式(1)可以看出，由比例環(huán)節(jié)引起的輸出電壓變化量

ΔuPn=KP(Tn-1-Tn)

(3)

比例調(diào)節(jié)對升溫和降溫過程起抑制作用，KP反映了抑制作用的大小。

設(shè)U0為恒壓加熱時，加熱片穩(wěn)態(tài)溫度達(dá)到Tset所需的電壓，由恒壓加熱實驗可得到的U0與Tset的擬合關(guān)系式，通過單片機(jī)對關(guān)系式進(jìn)行偏差補償。理論上，U0即為溫控系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的終點值，令En=U0-un，En為電壓偏差。

升溫過程中，En或en越小，溫度超調(diào)可能越大，而En或en越大，需要的調(diào)節(jié)時間越長；降溫過程則相反。為了使溫度盡快達(dá)到設(shè)定值，且盡可能小的產(chǎn)生超調(diào)量，考慮在溫度有超調(diào)趨勢時增加KP，在預(yù)計剩余調(diào)節(jié)時間較長時減小KP。故建立函數(shù)關(guān)系式

(4)

式中a為比例系數(shù)基準(zhǔn)值；b為電壓偏差作用系數(shù)；c為溫度偏差作用系數(shù)。

2)積分系數(shù)KI自整定函數(shù)

控溫系統(tǒng)PID積分環(huán)節(jié)引起的輸出電壓變化量

ΔuIn=KI·en

(5)

積分調(diào)節(jié)起消除靜差的作用，KI越大則穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間越短，但會增加溫度超調(diào)量。

傳統(tǒng)PID算法控溫時，在加熱片溫度穩(wěn)定后，提高(或降低)同樣的溫度設(shè)定值(保證起始en相同)，原穩(wěn)態(tài)溫度越高(或原穩(wěn)態(tài)溫度越低)，所需調(diào)節(jié)時間越長?？紤]在對超調(diào)量無明顯影響的情況下，通過提高KI值的方式減少調(diào)節(jié)時間，故建立函數(shù)關(guān)系式

(6)

式中d為en>0時的基準(zhǔn)積分系數(shù);e為en≤0時的基準(zhǔn)積分系數(shù)；f為實際溫度作用系數(shù)。

3)由于系統(tǒng)無法在較短的采樣周期內(nèi)(本文為0.2s)，跟蹤較大的微分作用輸出，致使微分作用相對較弱[8]，故對微分系數(shù)KD不做調(diào)整，與常規(guī)PID取相同值。

4)使用變系數(shù)PID系統(tǒng)進(jìn)行氣敏元件控溫調(diào)試，根據(jù)溫度超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、升降溫速率差異調(diào)整a～f的取值，最終調(diào)定的變系數(shù)PID算法的系數(shù)表達(dá)式

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 控溫曲線

控溫測試前，先將加熱片懸置于燒瓶中，以減小外界環(huán)境擾動對控溫的影響。分別采用恒壓加熱、常規(guī)PID和變系數(shù)PID控溫的方式，使加熱片升溫至200，350，500℃，得到的控溫曲線，如圖4所示。其中，常規(guī)PID的系數(shù)選擇為：KP=0.25，KI=0.015，KD=0.2，系數(shù)在設(shè)定溫度為350℃的情況下優(yōu)化調(diào)定。

圖4 不同控溫方式下加熱片溫度變化曲線

可以看出，采用恒壓方式控溫，加熱片溫度變化平緩，所需的調(diào)節(jié)時間較長，目標(biāo)溫度值為200，350，500℃時，調(diào)節(jié)時間分別為238，234，254s。調(diào)節(jié)時間，即達(dá)到目標(biāo)值且誤差不超過±0.5℃所用時間。

使用設(shè)計的溫控系統(tǒng)后，常規(guī)PID與變系數(shù)PID控制下的調(diào)節(jié)時間較恒壓方式有大幅度的縮短，而且變系數(shù)PID較常規(guī)PID也有縮短。例如，當(dāng)溫度設(shè)定值為350℃時，兩者調(diào)節(jié)時間均為15s左右；設(shè)定值為200℃時，常規(guī)PID下溫度出現(xiàn)超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較變系數(shù)PID長8.4s；設(shè)定值為500℃時，常規(guī)PID下加熱片接近目標(biāo)溫度時溫度變化緩慢，調(diào)節(jié)時間較變系數(shù)PID長6.4s。

由于常規(guī)PID的系數(shù)是在350℃下調(diào)定，設(shè)定值改變則無法保障控溫的性能，而變系數(shù)PID的系數(shù)自整定函數(shù)在設(shè)計時考慮到了不同溫度設(shè)定值的情況，因此，具有更好的適應(yīng)性。

2.2 抗干擾能力

首先，將氣敏元件懸掛在一個圓柱形容器(φ35mm×52mm)內(nèi)，放入30℃,45mm深水浴池中，分別用5.73V恒壓與變系數(shù)PID溫控系統(tǒng)對加熱片進(jìn)行控溫，其中恒壓選擇滿足目標(biāo)溫度350℃時溫度誤差0.2℃。待溫度穩(wěn)定后，將容器分別移入50,70℃的水浴池中，測定氣敏元件受環(huán)境溫度的影響，如圖5所示。

圖5 變系數(shù)PID控溫與恒壓加熱溫度變化曲線

恒壓加熱時，容器移入50,70℃水浴池后，加熱片溫度有明顯升高，50℃水浴下最終穩(wěn)態(tài)溫度約為359，70℃水浴下最終穩(wěn)態(tài)溫度約368℃。由變系數(shù)PID控溫系統(tǒng)加熱時，加熱片溫度受到的影響較小，不同水浴條件下，加熱片的溫度偏差始終保持在±0.3℃的范圍內(nèi)。

水浴溫度升高，容器壁的溫度也會隨之升高，導(dǎo)致加熱片散熱功率減小。恒壓加熱時，其加熱功率恒定，因此，穩(wěn)態(tài)溫度會升高。變系數(shù)PID控溫時，其加熱電壓會根據(jù)溫度變化迅速做出調(diào)整，避免溫度產(chǎn)生較大的偏離，表現(xiàn)出較好的抗干擾能力。

3 結(jié) 論

將變系數(shù)PID溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于半導(dǎo)體氣體傳感器元件，實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)克服了氣敏元件的工作溫度受外界擾動影響，保障了待測氣體濃度檢測環(huán)境的可靠性。系統(tǒng)制作簡單、成本低，具有較大的應(yīng)用潛力。

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[2] 潘 東.金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的加熱電路[J].傳感器世界,2002(7):24-25.

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Applicationofvariable-coefficientPIDtemperaturecontrollingsysteminsemiconductorgassensor*

CHEN Yi-jun, GUO Xing-min

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

A temperature control circuit of PID for the sensor by STC microcontroller,LCD screen,temperature collection and digital voltage regulation modules and so on.On this basis, variable-coefficient is used to advance the PID algorithm.The experimental data show that the settling time required is shorter as compared with constant voltage heating,decreasing from234s to6s when it is heated at350℃.It also has the strong anti-disturbing capability in which the temperature fluctuated decreased from9℃ to0.3℃ as compared with constant voltage heating,when environmental temperature changed from30℃ to50℃ at the same heating temperature.Therefore,it is a potential heating method for semiconductor gas sensors.

semiconductor gas sensor; microcontroller; temperature control; variable-coefficient PID

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0154—03

2016—11—11

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1460201，51374017)

TP 202

B

1000—9787(2017)10—0154—03

陳宜軍(1990-)，男，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體氣體傳感器的研究。郭興敏(1959-)，男，通訊作者,博士，教授,E-mail：guoxm@ustb.edu.cn。