屈長(zhǎng)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(duì)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(duì)微型可控溫度源的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)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(duì)溫度源的溫度檢測(cè)、設(shè)定、校正等基本功能。檢測(cè)溫度源的溫度控制從而達(dá)到對(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)單。

1 微型可控溫度源

微型可控溫度源是一種以凌陽(yáng)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(duì)水泥電阻進(jìn)行測(cè)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(cè)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(guò)人機(jī)界面輸入到系統(tǒng)中，以凌陽(yáng)單片機(jī)為中央處理器，保存輸入的數(shù)據(jù)。通過(guò)AD590檢測(cè)電路檢測(cè)溫度源的溫度，將這個(gè)溫度值傳到凌陽(yáng)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(cè)的數(shù)值小于輸入的數(shù)值通過(guò)比例積分微分（Proportion Integral Differential，PID）算法和控制電路對(duì)溫度源進(jìn)行加熱，如果檢測(cè)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(lái)，無(wú)論溫度源的升溫還是降溫，在這兩個(gè)過(guò)程中單片機(jī)對(duì)溫度源的監(jiān)測(cè)都是實(shí)時(shí)的，一直到被測(cè)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 ℃?？刂普麄€(gè)過(guò)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(hào)，所以我們將此設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器選擇為可以測(cè)量電信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)器，并且要求電信號(hào)的不確定度小于要求允許誤差的20%的測(cè)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(hào)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(guó)家檢定規(guī)程[1]中關(guān)于校準(zhǔn)輸出熱電阻信號(hào)的有關(guān)內(nèi)容，使用4根專用線連接校驗(yàn)儀和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器[2]，這樣就可以得到輸出電阻信號(hào)的基本誤差，通過(guò)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(chǎng)的被測(cè)對(duì)象所設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單的加熱或降溫的裝置。

需要的元器件有兩塊L2534型號(hào)的萬(wàn)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(cè)到的水泥電阻的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)給單片機(jī)。

2 控制方法設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，并且在連續(xù)自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部分

SPCE061A提供了足夠的存儲(chǔ)空間和隨機(jī)存儲(chǔ)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(duì)其他多種系統(tǒng)的開(kāi)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(duì)凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以通過(guò)線調(diào)試器實(shí)現(xiàn)，既可以通過(guò)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(guò)集成開(kāi)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(yáng)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(kāi)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(dòng)子程序、按鍵、檢測(cè)程序、電壓檢測(cè)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，不用考慮程序代碼在實(shí)際物理存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)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(duì)微型可控溫度源，單獨(dú)設(shè)計(jì)了高頻開(kāi)關(guān)電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

2.2 高頻開(kāi)關(guān)電源的主電路部分

這里主要是對(duì)常規(guī)的城市用電從電網(wǎng)被引入，到直流輸出的全過(guò)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(duì)比較平滑的直流電，再經(jīng)過(guò)逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，最后經(jīng)過(guò)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(guò)控制逆變脈沖的頻率或脈寬來(lái)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(duì)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(kāi)爾文）程線性關(guān)系，可測(cè)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(duì)話的橋梁。我們可以通過(guò)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(kāi)啟到閉合穩(wěn)定，或者從閉合到全部打開(kāi)，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(dòng)），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(lái)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電流脈沖對(duì)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(duì)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(hào)的大容量電解電容和專門吸收高頻干擾信號(hào)的無(wú)源電容來(lái)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(jí)和接到電暈線上的次級(jí)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(kāi)一定距離減少了干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

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?？刂葡到y(tǒng)以凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)為核心，溫度變化信號(hào)經(jīng)測(cè)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(duì)接收到的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)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。

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