賈誠安，葉 林，葛俊鋒，陳俊良，桂 康

(華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

溫度是表征物體冷熱程度的一個常用物理量，也是諸多工業(yè)控制過程中一個極為重要的狀態(tài)參數(shù)，特別是在一些精密測量領域內(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量結(jié)果準確性。例如:中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所研制的發(fā)射率測量設備中所使用的光電傳感器會產(chǎn)生溫漂而影響測量效果，需要對此進行復雜的溫度補償措施［1］。以單片機為核心的數(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 算法可以有效地對目標溫度進行控制，并且能達到較高的控制精度。

1 溫度控制系統(tǒng)總體設計

1.1 總體方案設計

系統(tǒng)以PCI 探測器為例，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)設計框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)是以STM32 單片機、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，實現(xiàn)PID 控制算法;ADS1248 為高集成度的測溫芯片，可通過自帶的SPI 接口與STM32 通信;熱電制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的半導體元件［2］，Pt100 熱敏電阻器作為溫度反饋信號。該系統(tǒng)主要以數(shù)字PID 方式調(diào)節(jié)STM32 片上的DAC 輸出來調(diào)節(jié)熱電制冷器的制冷量大小，最終達到一個穩(wěn)定的輸出從而實現(xiàn)對敏感元件溫度的精確控制。溫度值可通過上位機顯示。

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 探測器

系統(tǒng)中使用的PCI 探測器是上海物理研究所研制的3～5 μm 的紅外探測器，廣泛應用于航天遙感、工業(yè)實時檢測、報警、環(huán)保等領域。PCI 探測器的探測靈敏度與其內(nèi)置的敏感元件本身溫度有關，因此，需要對敏感元件進行溫度控制。

熱電制冷器為一種半導體器件，分為冷端面和熱端面，當電流正向流過器件時，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 硬件電路設計

2.1 測溫電路設計

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)兩個恒流源配置成500μA，并通過片內(nèi)模擬開關分別輸出連接至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 制冷電路設計

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

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

3 PID 控溫軟件設計

3.1 PID 控制過程

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，通過實際溫度值與設定溫度值之差來調(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。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 控制算法在具體實現(xiàn)上有模擬PID 和數(shù)字PID 兩種。對于數(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 表達式如式(1)所示

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

將模擬PID 表達式中各項離散化后具體表達式如式(2)所示［8］，其中，T 為采樣時間，k 為采樣序號

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

最后可將式(3)化簡為

實際使用時，考慮到制冷電路中三極管的導通壓降的影響，為了不讓調(diào)節(jié)過慢，可加上一個基準值U0，U0取三極管導通壓降的臨界值，最終表達式如式(5)所示［9］

數(shù)字PID 的算法實現(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)通過試湊法來整定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，基準值U0=1000，控制過程的響應曲線如圖6 所示。從PID 響應曲線可以較為明顯地看出，系統(tǒng)輸出在經(jīng)過一段時間的超調(diào)之后逐漸地收斂到設定值，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定效果較好。

4 試驗驗證

為了驗證本溫度控制系統(tǒng)的有效性，在室溫條件下對PCI 探測器的冷端溫度進行溫度控制。整個過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到±0.1 ℃，基本達到預期目標。

5 結(jié) 論

圖6 PID 響應曲線Fig 6 Response curve of PID

圖7 溫度控制過程曲線Fig 7 Curve of temperature control process

本系統(tǒng)以應用范圍較廣的PCI 探測器為試驗對象，利用STM32 和ADS1248 設計實現(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)動三極管的方式來調(diào)節(jié)熱電制冷器的制冷量，進而達到控制冷端溫度的效果，其控制精度可達±0.1 ℃。該系統(tǒng)能較好滿足溫度控制的要求，具有控制簡單、靈活性大等優(yōu)點，對于工業(yè)上需要溫度控制的傳感器具有較大的應用價值。

［1］ 于 浩，薛秀生，張 興，等.發(fā)動機表面熱輻射率主動式測試系統(tǒng)的研制［C］∥航空試驗測試技術學術交流會，廈門:航空工業(yè)測控技術發(fā)展中心，中國航空學會測試技術分會，測控技術，2014:76－79.

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［4］ 郭經(jīng)緯，吳志明，呂 堅，等.基于ADN8831 的高性能溫度控制系統(tǒng)設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(2):103－105.

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［6］ 徐 賁.數(shù)字PID 溫度控制實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.科技信息，2008(28):32－33.

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