Pt 100的精密恒溫水箱測控系統設計*

方 雄， 梁成文， 李凱揚

(武漢大學 物理科學與技術學院 電子科學與技術系，湖北 武漢 430072)

Pt 100的精密恒溫水箱測控系統設計*

方 雄， 梁成文， 李凱揚

(武漢大學 物理科學與技術學院 電子科學與技術系，湖北 武漢 430072)

針對恒溫水浴高精度溫度控制要求，設計了一種新型恒溫水箱智能測控系統。系統采用MSP430單片機作為核心，使用Pt 100溫度傳感器為測溫元件，以半導體致冷器(TEC)為制冷元件，結合比例—積分—微分(PID)算法和脈寬調制(PWM)控制來實現對目標對象溫度的精確控制。系統測溫范圍設定在0～60 ℃，樣機性能測試結果表明：該系統可以實現測溫精度優于±0.05 ℃的控制要求，具有±0.01 ℃的分辨率，控溫精度±0.2 ℃。實際應用表明：該系統可靠性好、控制精度高、性能穩定、操作簡便及通用性強，具有較高的實用價值和應用推廣價值。

單片機； 溫度傳感器； 數字比例—積分—微分； 恒溫水箱

0 引 言

本文設計了一種基于Pt 100的新型精密恒溫水箱溫度測控系統。系統選用Pt 100溫度傳感器代替數字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，測溫絕對精度更高、響應速度更快、穩定性更好；采用MSP430單片機作為主控制器，相比一般單片機具有超低功耗、處理能力強、運算速度快、片內資源豐富、方便高效的開發環境等優點；通過增量式PID算法和脈寬調制(PWM)功能來實現對目標對象溫度的精準控制。本系統采用半導體制冷器(TEC)當作系統的制熱和制冷的裝置，相比普通制冷器具備特有的加熱和制冷功能，有著無污染、壽命長、制冷速率大等許多優點，并且TEC器件是電流驅動器件，易于形成反饋系統。

1 系統工作原理

本文所設計的恒溫水箱系統基本工作原理如圖1所示。系統利用熱敏電阻Pt 100[4]當作溫度傳感器獲取實時溫度。熱敏電阻Pt 100將溫度轉換成電壓信號，經過電壓放大電路、低通濾波以后傳送給單片機，單片機用其自帶的ADC10將電壓信號采樣、量化；獲得的實時溫度數據和目標溫度數據通過PID算法處理后，產生相應的控制信號經功率驅動電路來控制TEC器件制熱或制冷。PID算法是按偏差的比例P、積分I和微分D進行控制的PID調節器，在工業控制中得到了廣泛的應用。由于半導體制冷片是電流換能型器件[5]，系統通過微處理器的PWM功能控制輸入電流，即可實現對目標溫度的高精度控制。系統選用的TEC和水箱是相互獨立的，單獨對一部分水加熱或制冷，兩者通過智能蠕動泵形成了一個自動控溫水循環系統。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 主控CPU模塊

系統設計選用美國TI公司的MSP430單片機[6]作為主控制器，其內部自帶8路10位200 ksps的ADC通道，因此在測溫電路中不需外加A/D轉換芯片，使硬件電路得以簡化。除此之外，MSP430單片機還有兩個定時器，16 kB的程序存儲空間以及512B的數據存儲空間，完全能夠實現本系統的功能。

2.2 電源模塊

恒溫水箱控制系統里，由于溫度測量電路、單片機、TEC器件、散熱片和蜂鳴器等功率電路對電源有各自的需求，必須進行分塊設計。單片機的供電電壓介于1.8～3.6 V，需獨立供電。本系統利用可控精密穩壓器件TL431來實現一個穩定的3.3 V電壓源。溫度采集模塊中的儀表放大器AD620需要雙電源供電，同時要求電源紋波很小，系統利用三端穩壓芯片LM7805和LM7905得到±5 V的電壓，然后在輸入輸出端分別增加2個大小不同的旁路電容去除電源紋波。由于本系統采用的TEC器件最大電流可達到6 A，所以TEC器件選用12 V的大功率開關電源供電。

2.3 溫度采集模塊

1.2.1.2.5素養制定治療室及配藥室的各項行為規范手冊，使用藥品后盡早放回原處，操作后配藥室的臺面污垢，污漬，藥漬及時清理，保潔員及護士也要定期對治療室進行清掃，強調醫療工作者的責任感，集體榮譽感和團隊合作精神。

圖2 溫度采集模塊電路圖

2.4 人機交互模塊

在本系統的設計中使用3個按鍵來完成溫度設定的功能，其中，K1為設置按鍵，當系統處于正常工作時按下此按鍵，可使系統停止工作，此時可設置目標溫度，再次按下此鍵返回到正常工作狀態；K2、K3功能為加、減。數據顯示輸出選用液晶LCD-CH12232B作為顯示器件，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，具有顯示質量高、數字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優點。

2.5 TEC驅動電路模塊

半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，也能加熱，因此使用一個TEC就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。而半導體制冷片的加熱和制冷工作狀態的轉換只需要改變工作電流的方向，所以，本系統采用H橋電路[8]作為TEC器件的功率驅動電路，電路圖如圖3所示。由于功率MOS管是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需要，因此采用2個P溝道功率MOS管IRF9540和2個N溝道功率MOS管IRF540構成H橋電路的橋臂。由于單片機輸出高電平僅有3.3 V，并且工作電流不大，通常不具有驅動能力。出于保護單片機和防止強電磁干擾或工頻電壓干擾，將場效應管柵極和微處理器的輸出端口用光耦P521進行隔離。如圖3所示，當單片機的P1.6引腳輸出高電平，P1.7引腳輸出低電平時，U10導通，U11截止；Q5和Q6導通，Q4和Q7截止，于是在半導體制冷片兩端形成12 V電壓差，制冷片開始加熱(或制冷)。同理當P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時，此時半導體制冷片電壓翻轉，原來加熱(或制冷)的一面開始制冷(或加熱)。

圖3 TEC驅動電路圖

3 系統軟件設計

在本系統軟件程序設計中，由主程序、中斷服務程序和子程序3部分組成。由于系統使用的微處理器為TI公司的16位MSP430G2553單片機，所以選用IAR Embedded Workbench 5.5軟件開發和調試，采用嵌入式C語言編程實現，溫度控制核心程序基于增量式PID算法思想設計，有效地降低了調溫過程的超調振蕩，顯著提高了調溫精度。

3.1 軟件總體設計

系統軟件設計總體流程圖如圖4所示，基于中斷控制方式設計實現。本系統采用主通道和次通道兩路進行溫度采集，每秒進行1次采樣，2個通道輪流采樣，每個通道的采樣周期為2 s。主通道溫度主要用于判斷程序的走向。如果主通道溫度高于目標溫度，系統工作在冷卻模式；相反，如果主通道溫度低于目標溫度，系統工作在加熱模式。單片機將主通道A/D轉換后得到的采樣值換算為溫度，并通過PID算法控制加熱或制冷的速率，使恒溫水箱中的水保持恒溫。次通道的主要作用在于判定系統是否發生故障，并及時采用相應的措施以防出現更加嚴重的后果。

圖4 系統軟件設計總體流程圖

本系統需要完成以下功能：對溫度進行全自動控制，調節目標溫度，當系統出錯或出現故障時做出相應的處理，因此程序中涉及到的中斷源包括：定時器觸發、ADC10轉換完成觸發、外部端口中斷觸發。除上述所需完成的功能外，還需要進行數據處理，例如實時溫度數據的數字濾波處理、由PID算法計算出占空比以實現對設定溫度的逼近控制等。

3.2 數字PID算法

數字PID算法[9]是整個控溫程序的核心，也是控溫的基礎。由于增量式PID算法相比于位置式的控制精度更高，所以本系統選用增量式PID算法，公式如下

Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

對算法中的重要參數KP,KI，KD的整定是影響控溫效果的關鍵。 本系統采用工程整定方法確定PID的參數，常用的包括臨界比例法、反應曲線法以及衰減法。采用前面的方法或者事先指定其中的某一參數，在調試過程中選擇性地改變其他參數，根據實驗結果來逐步確定另外幾個參數。不管運用哪一種方法確定的控制器參數，最終還是要求在實際系統中實現最后調節和完善[10]。

4 測試分析

為驗證恒溫水箱系統性能，成功研制了恒溫水循環系統樣機并進行了實物測試。

由于Pt 100鉑電阻器阻值隨溫度變化關系并不是一條直線，且受運算放大電路中晶體管的漂移等因素影響，所以對于檢測到的電壓值需要與精度為0.01 ℃的標準溫度計進行校準并擬合，獲得曲線關系。實驗記錄了主通道和次通道在30～55 ℃每隔1 ℃時單片機的10位ADC的采樣值n，10位ADC的參考電壓是2.5 V，計算得到實際電壓值為

(2)

運用Matlab對兩路通道數據實行二次線性擬合，如圖5所示?？梢钥闯?，雖然兩路溫度采集電路模塊參數設定完全相同，但次通道的電壓值比對應的主通道電壓值平均高0.31V左右，研究分析是恒流源電路中的參考電阻阻值的微小誤差和在運算放大器電路中滑動變阻器阻值調整的不精確造成放大倍數的誤差疊加導致的。但圖中的結果反映出，兩路溫度各自的線性度都良好，因此只需使用不同的擬合模型就能分別計算出兩路溫度值。Matlab中由兩路數據得到的擬合系數如下：

圖5 Pt 100溫度校準曲線圖

主通道：a=0.086 6，b=5.911 5，c=232.776 5

次通道：a=-0.045 5，b=17.828 5，c=113.249 1

單片機的float類型占4個字節，計算很高精度的浮點型數據十分困難。觀察可知主通道和次通道擬合曲線的二次項系數都遠小于1，因此可近似作一次線性擬合處理。

為了測試系統的測溫精度和分辨率，使用精度為0.01 ℃的標準溫度計作為標準來標定，經過多次設置不同的目標溫度，記錄系統實驗時水箱中水的實時顯示溫度，實時實際溫度和TEC器件的實時加熱或制冷狀態。根據實際實驗結果可知，系統顯示溫度和實際溫度的差值的絕對值最大為0.03 ℃，即測溫精度優于±0.05 ℃；并且當顯示溫度超過(或低于)設定目標溫度0.01 ℃時，TEC器件立即會開始制冷(或加熱)，即具有±0.01 ℃的分辨率。

PID控制的參數整定是影響控溫效果好壞的關鍵，本系統采用工程整定方法確定PID的參數。設定目標溫度為30 ℃，實行PID參數整定實驗，記錄了令I=0.2P，D=1.25P，在不同P參數下系統在設定溫度附近最大顯示溫度Tmax和最小顯示溫度Tmin的數值，實驗記錄數據見表1。

表1 實驗測試結果

從表1可以看出：當P=20，I=0.2P，D=1.25P時，控溫精度為±0.17 ℃，溫度趨近于設定溫度的時間最短最快，并且超調振蕩較低，因此選擇這組數據作為本系統PID控制的系數。實驗結果表明，系統測溫精度和控溫精度較高，調溫過程的超調震蕩較低，實用價值較高。

5 結 論

系統性能測試結果表明：該系統測溫精度可以達到±0.05 ℃，具有±0.01 ℃的分辨率，控溫精度±0.2 ℃，滿足設計要求。Pt 100相比于DS18B20絕對精度更高、響應速度更快、穩定性更好；實際應用表明TEC控制系統性能穩定，操作簡便，控制精度高，通用性強，可以滿足科學研究、醫療保健及工業場合較高的精度要求，擁有廣闊的應用前景。

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方 雄(1994- ),男，碩士研究生，研究方向為生物醫學與嵌入式研發。

李凱揚(1963- ),男，通訊作者,教授，博士生導師，主要從事生物組織光學與醫學影像研究工作，E-mail：lky@whu.edu.cn。

Design of precise temperature control system for constant temperature water tank based on Pt 100*

FANG Xiong, LIANG Cheng-wen, LI Kai-yang

(Department of Electronics Science and Technology,School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072，China)

Aiming at requirement of high precision temperature control of stationary temperature water tank,a novel intelligent control system of constant temperature water tank is designed and implemented.The system uses MSP430 MCU as control core,Pt 100 platinum resistance as temperature measurement devices,thermo-electric cooler(TEC)devices as refrigeration components.Combined with proportion-integration-differentiation(PID)algorithms and pulse-width modulation(PWM)control to achieve precise control for temperature of the target object.Temperature control system test range is set to 0～50 ℃,and performance test results of the prototype show that the system can realize temperature control requirements of precision prior to ±0.05 ℃,with a resolution of ±0.01 ℃ and a temperature control precision of ±0.2 ℃.Practical application show that this temperature control system has high reliability,high control precision,stable performance,easy operation,and high universality,so it has high practical value and application promotion value.

microcontroller; temperature sensor; numeric PID; stationary temperature water tank

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0100—04

2016—04—18

國家重大科學儀器設備開發專項項目(2012YQ160203)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0100—04