一種基于STM32 和ADS1248 的數字PID 溫度控制系統*

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，也是諸多工業控制過程中一個極為重要的狀態參數，特別是在一些精密測量領域內，其使用的核心傳感器的溫度穩定性有可能直接影響測量結果準確性。例如:中航工業沈陽發動機設計研究所研制的發射率測量設備中所使用的光電傳感器會產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字PID 調節器與傳統的模擬PID 調節器相比，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，利用熱電制冷器件并采用位置型數字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 溫度控制系統總體設計

1.1 總體方案設計

系統以PCI 探測器為例，其內置有熱電制冷器、Pt100熱敏電阻器、敏感元件等元器件，系統設計框圖如圖1 所示。本系統是以STM32 單片機、ADS1248、熱電制冷器為主要組成部分的溫度控制系統。其中，STM32 為核心MCU，實現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;熱電制冷器作為調節溫度的半導體元件［2］，Pt100 熱敏電阻器作為溫度反饋信號。該系統主要以數字PID 方式調節STM32 片上的DAC 輸出來調節熱電制冷器的制冷量大小，最終達到一個穩定的輸出從而實現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轉換器。其集成有低噪聲可編程增益放大器(PGA)、兩路可調大小的恒流源、單周期設定數字濾波器的精密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、工業實時檢測、報警、環保等領域。PCI 探測器的探測靈敏度與其內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，將片內兩個恒流源配置成500μA，并通過片內模擬開關分別輸出連接至AIN0，AIN1。芯片的VREFOUT 和VREFCOM 為內置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，可通過編程調節其輸出電壓大小。DAC 輸出經過電壓跟隨器后作為三極管基極電壓輸入，產生相應的基極電流，從而在集電極產生一個放大β 倍的制冷電流作用于熱電制冷器，進而產生合適的制冷量對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

本系統采用數字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 為控制環節中的控制器，通過實際溫度值與設定溫度值之差來調節DAC 的輸出值。熱電制冷器作為控制環節中的被控對象，Pt100 熱敏電阻器與ADS1248 輸出值作為控制環節中的反饋信號。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上有模擬PID 和數字PID 兩種。對于數字PID 控制系統又可分為位置型數字PID 和增量型數字PID，本系統中采用位置型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，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，為了不讓調節過慢，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］

數字PID 的算法實現流程圖如圖5 所示。

圖5 PID 控制算法流程圖Fig 5 Flow chart of PID control algorithm

3.3 PID 參數整定

本系統通過試湊法來整定PID 參數，最終可得到一組效果最佳的PID 參數，其中，比例常數KP=50，積分常數KI=6，微分常數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，系統輸出在經過一段時間的超調之后逐漸地收斂到設定值，最終達到穩定狀態，其穩定效果較好。

4 試驗驗證

為了驗證本溫度控制系統的有效性，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 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 設計實現了基于數字PID 算法的溫度控制系統，以DAC 輸出可調電壓驅動三極管的方式來調節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 ℃。該系統能較好滿足溫度控制的要求，具有控制簡單、靈活性大等優點，對于工業上需要溫度控制的傳感器具有較大的應用價值。

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