薄膜氫氣傳感器的數(shù)字PID控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 峰，周 蒙，張 浩，王小浩，張龍賜，李松輝，曾佳慧

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所 薄膜傳感技術(shù)湖南省國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410111）

0 引 言

電阻式薄膜氫氣傳感器在合適的溫度下其精度和響應(yīng)速度都會(huì)提高，但過高的溫度可能帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，過低的溫度會(huì)導(dǎo)致其靈敏度降低[1]。因此，要使傳感器獲得較高的精度和響應(yīng)速度，氫敏芯體應(yīng)工作在某一恒定的溫度環(huán)境中[2-5]。同時(shí)氫敏芯體的輸出對溫度也十分敏感，微小溫度波動(dòng)帶來的噪聲可能將有用的氣體濃度信號淹沒，這對控溫精度也提出了很高的要求。

本文采用數(shù)字PID控制方案，使氫敏芯體溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控溫精度高、電路結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)整簡單，滿足氫氣傳感器的高精度快響應(yīng)測量需求[6-12]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

薄膜氫敏芯體的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由鉑電阻、電橋電路和運(yùn)放電路組成高精度測溫電路，鉑電阻PT1000對氫敏芯體溫度進(jìn)行測量，通過電橋電路和運(yùn)放電路將信號進(jìn)行放大，送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用32位單片機(jī)STM32F103C8T6將溫度信號解調(diào)后將其送入溫度PID程序中，通過PID算法解算出PWM占空比，輸出PWM占空比信號至MOS管驅(qū)動(dòng)電路。通過MOS驅(qū)動(dòng)電路對加熱電阻進(jìn)行加熱控制，加熱電阻集成在氫敏芯體上。當(dāng)外界溫度擾動(dòng)時(shí)，通過鉑電阻測溫這一反饋環(huán)路和PID控制算法，不斷調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)氫敏芯體的溫度穩(wěn)定控制。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 鉑電阻測溫電路

鉑電阻測溫電路由PT1000鉑電阻、電橋電路和運(yùn)放電路組成，如圖2所示。電橋電路采用恒壓工作調(diào)理，由高精度參考電源芯片REF1933提供電橋所需的3.3 V電源，R17、R10、PT1、R21、R11和 R5組成電橋電路。

圖2 鉑電阻測溫電路

R14、R16、R9、R22和U2A組成差分運(yùn)放電路，其中R14=R16，R9=R22，差分運(yùn)放的放大比例為R9/R14，C24和C13為濾波電容。R15和C14構(gòu)成RC濾波器，D1是防止運(yùn)放輸出超量程燒毀單片機(jī)的A/D口。單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位ADC進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，經(jīng)過溫度換算，測量精度為±0.05 ℃。

2.2 MOS驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)加熱采用PWM波控制MOS管通斷實(shí)現(xiàn)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。圖中R26為限流電阻，Q3和R24為第一級放大電路，可提高單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。Q1和Q2組成圖騰驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力大大提升，采用大功率三極管驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2 A，完全滿足MOS管的驅(qū)動(dòng)需求。R25能有效減小MOS管G極振鈴，D2可加快MOS關(guān)斷，減小損耗，R27防止G極誤導(dǎo)通。VCC為加熱電阻R23的工作電源，MOS管Q2交替導(dǎo)通，控制加熱電阻通斷，C25為吸收電容，保護(hù)MOS管漏極。芯體加熱到80 ℃所需熱量約為0.5 W，本電路設(shè)計(jì)完全符合加熱需求。

圖3 MOS驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

氫敏芯體的溫度控制是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過程，也是不規(guī)則損失輸出，能利用單片機(jī)采集芯體的實(shí)際溫度與內(nèi)部設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，得到偏差，將偏差的比例P、積分I、微分D通過運(yùn)算合成控制量，即PWM的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制[13]，PID算法的模擬表達(dá)式為[14]：

式中：u(t)為輸出；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；e(t)為偏差。對其進(jìn)行離散處理得到：

式中：T為采樣周期；k為采樣序號；e(k)為第k次采樣偏差值；u(k)為第k次輸出。上式為位置式PID算法，需要對每一次誤差進(jìn)行累加，這種算法占用了較多單片機(jī)的資源，因此通常對上式取增量得到增量式PID算法[15-17]，其公式為：

式中，Δu(k)為輸出增量，其中：

控制系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

圖4 程序流程

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，首先對比例、微分、積分和目標(biāo)溫度等賦初值，單片機(jī)A/D口檢測氫敏芯體當(dāng)前溫度u(k)，并計(jì)算當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的偏差e(k)，計(jì)算輸出增量Δu(k)，令上次偏差e(k-1)=e(k)和上兩次偏差e(k-2)=e(k-1)，令上次輸出u(k-1)=u(k)。將u(k)換算成占空比，通過單片機(jī)的定時(shí)器輸出PWM信號，PWM信號經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)MOS管，控制加熱電路的加熱功率，然后進(jìn)行下一輪的溫度檢測和占空比計(jì)算，直至氫敏芯體溫度達(dá)到目標(biāo)溫度[17-20]。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

將樣機(jī)放置于室溫環(huán)境，在程序中把氫敏芯體的目標(biāo)溫度設(shè)定為85 ℃，比例系數(shù)設(shè)定為8.0，積分系數(shù)設(shè)定為2.2，微分系數(shù)設(shè)定為5.0，PWM信號的頻率為20 kHz，PID執(zhí)行速率為5 ms/次，對氫氣傳感器進(jìn)行階躍響應(yīng)測試和長期控溫測試，傳感器開機(jī)后的階躍響應(yīng)波形如圖5所示。

圖5 傳感器階躍響應(yīng)

從圖5中可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)量約為10%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為130 s，溫度穩(wěn)定時(shí)間很快，符合氫氣測量需求，要調(diào)整超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間只需在軟件里修改PID參數(shù)即可。穩(wěn)態(tài)下氫敏芯體的溫度如圖6所示。從圖6中可以看出，氫敏芯體的溫度穩(wěn)定在85.1 ℃附近，控溫精度為±0.1 ℃，能夠大大減小因溫度引起的氫氣傳感器的噪聲，具備優(yōu)良的信噪比，符合氫氣傳感器的控溫需求。

圖6 穩(wěn)態(tài)下氫敏芯體溫度

5 結(jié) 語

本文研究了一種薄膜氫氣傳感器的數(shù)字PID控溫系統(tǒng)，通過數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)PWM占空比大小，驅(qū)動(dòng)電路控制加熱電阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的薄膜氫氣傳感器數(shù)字PID控溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氫敏芯體溫度的快速響應(yīng)、高精度控制，滿足氫氣傳感器的控溫需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對薄膜氫氣傳感器的數(shù)字PID控溫系統(tǒng)的研發(fā)具有參考價(jià)值。