微型可控溫度源的設(shè)計(jì)

屈長衡

摘 要：根據(jù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，在醫(yī)療、制藥、化工、冶金以及各類實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)方面，對微型可控溫度源提出需求，為以上領(lǐng)域提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溫度源。文章對微型可控溫度源的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對溫度源溫度的控制及校驗(yàn)，并且具有便攜式、易于操作、維護(hù)簡單的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度校驗(yàn)；傳感器；PID算法

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用基于嵌入式系統(tǒng)的溫度控制器，它具有對溫度源的溫度檢測、設(shè)定、校正等基本功能。檢測溫度源的溫度控制從而達(dá)到對溫度源溫度調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對溫度源的溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，采用PID控制算法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。對PID算法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出符合用戶高精度的穩(wěn)定系統(tǒng)。除此之外，系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示電路系統(tǒng)具有友好人機(jī)界面操作簡單。

1 微型可控溫度源

微型可控溫度源是一種以凌陽單片機(jī)為核心，配置LCD顯示、鍵盤人機(jī)接口界面，用溫度傳感器熱電偶和溫度采樣器AD590對水泥電阻進(jìn)行測試、調(diào)試、校準(zhǔn)的一種校驗(yàn)儀器。此設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)測量范圍從30～150 ℃，足以滿足小型溫度源需要，我們可以將需要的溫度的數(shù)值通過人機(jī)界面輸入到系統(tǒng)中，以凌陽單片機(jī)為中央處理器，保存輸入的數(shù)據(jù)。通過AD590檢測電路檢測溫度源的溫度，將這個(gè)溫度值傳到凌陽單片機(jī)，將這個(gè)數(shù)值與鍵盤輸入的數(shù)值進(jìn)行比較。如果檢測的數(shù)值小于輸入的數(shù)值通過比例積分微分（Proportion Integral Differential，PID）算法和控制電路對溫度源進(jìn)行加熱，如果檢測的數(shù)值大于輸入的數(shù)值，系統(tǒng)采用自然降溫的方法將溫度源的溫度降下來，無論溫度源的升溫還是降溫，在這兩個(gè)過程中單片機(jī)對溫度源的監(jiān)測都是實(shí)時(shí)的，一直到被測的溫度與輸入的溫度相等時(shí)，將此數(shù)值保持在這個(gè)值上誤差大約±0.5 ℃。控制整個(gè)過程的溫度參數(shù)，PID參數(shù)和加熱功率都在液晶顯示上顯示，利用PID算法可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效溫控目標(biāo)，確保溫度源升溫時(shí)間控制在3 min以內(nèi)，為了滿足方便使用和低功率的要求，我們將電源輸入電壓設(shè)計(jì)為AC 220 V，最大功率控制在30 W。系統(tǒng)框如圖1所示。

關(guān)于溫度校準(zhǔn)，由于溫度校驗(yàn)儀在實(shí)際應(yīng)用中可以輸出各種物理信號，所以我們將此設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器選擇為可以測量電信號的標(biāo)準(zhǔn)器，并且要求電信號的不確定度小于要求允許誤差的20%的測量標(biāo)準(zhǔn)器，并滿足溫度調(diào)整的均勻性大于0. 05 ℃，同時(shí)將熱電阻電阻信號專用的連接線進(jìn)行校準(zhǔn)。

關(guān)于誤差校驗(yàn)，可根據(jù)國家檢定規(guī)程[1]中關(guān)于校準(zhǔn)輸出熱電阻信號的有關(guān)內(nèi)容，使用4根專用線連接校驗(yàn)儀和測量標(biāo)準(zhǔn)器[2]，這樣就可以得到輸出電阻信號的基本誤差，通過查詢分度表，就可以得到不同分度情況下的誤差了。

溫度源的設(shè)計(jì)主要目的是模擬現(xiàn)場的被測對象所設(shè)計(jì)的一種簡單的加熱或降溫的裝置。

需要的元器件有兩塊L2534型號的萬用板，一個(gè)功率為30 W的水泥電阻一個(gè)AD590和一個(gè)熱敏電阻。加熱的水泥電阻用AD590檢測到的水泥電阻的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號給單片機(jī)。

2 控制方法設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)在自動控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，并且在連續(xù)自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。PID調(diào)節(jié)控制的基本方法就是輸入或者反饋的偏差值，按照比例、積分、微分函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果輸出用以控制被控對象。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，靈活改變PID結(jié)構(gòu)，利用部分或部分環(huán)節(jié)的組合，構(gòu)成控制規(guī)律實(shí)施控制。

由于以單片機(jī)為控制核心的自控系統(tǒng)，是基于采樣結(jié)果的自動控制，只能根據(jù)時(shí)刻采樣結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。因此，在需對模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式進(jìn)行離散化處理用數(shù)字形式代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)用求和及增量式表示，得出離散PID表達(dá)式：

根據(jù)以上式子可列出相應(yīng)程序框圖，按照框圖邏輯關(guān)系對單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)部分

SPCE061A提供了足夠的存儲空間和隨機(jī)存儲器這使得系統(tǒng)有了很大的擴(kuò)展余量，除此之外，SPCE061A提供了AD轉(zhuǎn)換器和豐富的中斷源，使應(yīng)用該單片機(jī)可以兼容對其他多種系統(tǒng)的開發(fā)，不僅可以降低設(shè)計(jì)難度，同時(shí)也可以降低設(shè)計(jì)成本。對凌陽單片機(jī)SPCE061A開發(fā)過程，可以通過線調(diào)試器實(shí)現(xiàn)，既可以通過在線調(diào)試器PROBE進(jìn)行編程，也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線調(diào)試，由于在線調(diào)試器的另一端提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的25針打印機(jī)接口，直接連到計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口即可實(shí)現(xiàn)通信，在計(jì)算機(jī)上通過集成開發(fā)環(huán)境軟件包，就能夠完成在線調(diào)試功能[3]。在本次設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，以凌陽單片機(jī)為核心，控制整個(gè)溫度源的運(yùn)行，包括兩個(gè)開關(guān)電源，以及友好人機(jī)交互界面等，整個(gè)程序主要包括軟啟動子程序、按鍵、檢測程序、電壓檢測子程序、運(yùn)行PID子程序。以SPCE061A芯片為核心的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使用C語言和匯編語言編程，不用考慮程序代碼在實(shí)際物理存儲器中的存儲地址，易于實(shí)現(xiàn)編程和調(diào)試。

由于本設(shè)計(jì)需要有±12 V，+5 V供電，而我們常用的是市電AC220 V就不符合我們控制器的要求，我們需要把AC220 V轉(zhuǎn)換成DC12 V和5 V。針對微型可控溫度源，單獨(dú)設(shè)計(jì)了高頻開關(guān)電源對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

2.2 高頻開關(guān)電源的主電路部分

這里主要是對常規(guī)的城市用電從電網(wǎng)被引入，到直流輸出的全過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)電路包括輸入初段的濾波器將電網(wǎng)雜波去除，經(jīng)整波電路將電網(wǎng)交流電整流為相對比較平滑的直流電，再經(jīng)過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，最后經(jīng)過輸出部分的整流和濾波就能得到一個(gè)符合設(shè)計(jì)需要的可靠直流電源?？刂齐娐凡糠?，采取輸出端取樣后與設(shè)定值比較的方法控制逆變器，通過控制逆變脈沖的頻率或脈寬來達(dá)到使輸出穩(wěn)定的目的，同時(shí)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，用以對整個(gè)系統(tǒng)提供保護(hù)措施。

2.3 溫度傳感器的選擇部分

由于集成傳感器體積小巧，靈敏度較高，精度適中，而且由于其線性輸出的特點(diǎn)，特別適合本設(shè)計(jì)使用。AD590型集成溫度傳感器，它的主電流與熱力學(xué)溫度（開爾文）程線性關(guān)系，可測量的溫度范圍為﹣55 ～+150 ℃，原件的用電電源范圍較寬（4～30 V）使用中不宜損壞，精度較高，在M檔工作時(shí)，在﹣55 ～+150 ℃的非線性誤差僅為±0.3 ℃，以上特性均是設(shè)計(jì)中使用AD590的主要依據(jù)。

2.3.1 鍵盤設(shè)計(jì)

鍵盤是由3個(gè)鍵組成的，與單片機(jī)相聯(lián)。鍵盤是控制系統(tǒng)人機(jī)對話的橋梁。我們可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)和命令，為了穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)和命令傳達(dá)給單片機(jī)，此鍵盤的設(shè)計(jì)主要做到了去抖的作用，按鍵從開啟到閉合穩(wěn)定，或者從閉合到全部打開，操作手法隨人而異，一般要有數(shù)毫秒的彈跳時(shí)間（即抖動），彈跳可能將引起按一次鍵被輸入多次的誤操作，所以在鍵盤處理中我們將電阻和電容并聯(lián)起來起到一個(gè)延時(shí)去抖的作用。

2.3.2 抗干擾措施

為了防止開關(guān)電源產(chǎn)生的開關(guān)電流脈沖對其他電子設(shè)備干擾，也防止外部干擾進(jìn)入電源內(nèi)，設(shè)計(jì)了濾波器電路，對模噪聲和差模噪聲進(jìn)行抑制?？刂葡到y(tǒng)抗干擾部分，采取了輸入端并接吸收低頻干擾信號的大容量電解電容和專門吸收高頻干擾信號的無源電容來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采取單點(diǎn)接地措施。加熱電源與高壓電源之間的抗干擾措施，采用了鐵氧體磁芯U16，使初級和接到電暈線上的次級相隔一定的距離，高頻變壓器不是直接固定在加熱電源板上，而是隔開一定距離減少了干擾。

3 結(jié)語

溫度控制器具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠較好地滿足使用者的需要。控制系統(tǒng)以凌陽SPCE061A單片機(jī)為核心，溫度變化信號經(jīng)測量和整理電路后，使其滿足A/D變換電路的值要求，經(jīng)AD590變換后送到單片機(jī)。單片機(jī)對接收到的信號與設(shè)定信號進(jìn)行比較，采用PID控制的方法，輸出一個(gè)控制量。同時(shí)用LCD顯示當(dāng)前溫度和PID參數(shù)，用戶可以自定義設(shè)定的溫度值大小和PID參數(shù)的正定。

[參考文獻(xiàn)]

[1]北京市標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局.溫度計(jì)量[M].北京：中國計(jì)量出版社，1987.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.JJG617—1996數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程[M].北京：中國計(jì)量出版社，1997.

[3]雷思孝.凌陽16位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.