變系數PID控溫系統在半導體氣體傳感器中的應用*

陳宜軍， 郭興敏

(北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 100083)

變系數PID控溫系統在半導體氣體傳感器中的應用*

陳宜軍， 郭興敏

(北京科技大學冶金與生態工程學院，北京100083)

提出了一種用于半導體氣體傳感器的溫度控制電路，包含鍵盤輸入、液晶顯示、溫度采集、數控調壓等模塊，采用變系數PID算法實現對降壓模塊輸出電壓的調控，控制氣敏元件的溫度。實驗表明：與恒壓加熱和常規PID控溫相比，變系數PID控溫的調節時間短、超調量小，具有較強的抗干擾能力。350 ℃加熱時，與恒壓加熱相比調節時間從234 s縮短到了6 s，當環境溫度從30 ℃變化到50 ℃時恒壓加熱敏感元件溫度上升9 ℃，而改進后溫度變化不超過0.3 ℃,是一種很有潛力的半導體型氣體傳感器控溫系統。

半導體氣體傳感器； 單片機； 溫度控制； 變系數PID

0 引 言

半導體型氣體傳感器因其靈敏度高、響應速度快、成本低廉、制造簡單等優點，廣泛應用于氣體檢測領域[1]。但其對溫度非常敏感，工作溫度波動的噪聲通常會掩蓋氣體濃度的有效信號，影響著對氣體濃度檢測的穩定性與可靠性，因而為氣敏元件提供穩定的工作溫度環境非常重要。

一般的半導體型氣體檢測裝置常以恒壓電阻加熱方式為氣敏元件供熱[2]，當外界環境變化，易導致溫度產生較大偏離。最近，董克冰等人將PID概念引入半導體氣體傳感器的溫度控制，通過模擬溫控取得了較好的效果[3]，但是使用時仍具有靈活性差的問題。本文以單片機為核心，將PID算式離散化實現數字控制[4]，提出了一種自動調壓控溫電路，以達到穩定控溫，使用靈活的目的。

1 實驗方法

1.1 氣敏元件與轉換電路

采用金屬陶瓷加熱片、Pt100熱敏電阻、叉指電極和半導體薄膜組成氣敏元件，其結構如圖1所示。加熱片溫度受加熱端電壓控制，可由熱敏電阻實時測得。加熱片溫度穩定在目標值后，測量濃度測量端的阻值，換算得到待測氣體濃度值輸出至顯示元件。

圖1 氣敏元件結構

以單片機為自動調壓溫控系統的核心，相關硬件框圖如圖2所示。金屬陶瓷加熱片的目標溫度值由按鍵模塊設定，實時溫度由溫度采集模塊測得。液晶屏顯示溫度設定值和讀取的實時溫度，單片機根據兩者的差值控制數字電位器，改變模塊的輸出電壓。通過實時溫度和設定溫度反復比對，完成了閉環控制。

圖2 氣體傳感器溫控系統框圖

溫度采集模塊實現溫度信號由模擬量向數字量的轉換，數控降壓模塊實現電壓輸出量由數字量向模擬量的轉換，信號轉換模塊電路如圖3所示。

圖3 信號轉換模塊電路

溫度采集模塊電路，如圖3(a)所示。附著于加熱片背面的熱敏電阻Pt100與精密固定電阻器R1串聯后接3.3V穩壓電源，其分壓值由ADS1115模/數轉換器[5]測得并傳至單片機。單片機根據Pt100與R1的分壓比計算出Pt100阻值，獲得實際溫度Tn。

數控降壓模塊，由可調降壓芯片與數字變阻器組成，如圖3(b)所示。由兩個X9C102數字電位器串聯組成的數字變阻器，擁有200個滑動抽頭，電阻步進值約10Ω，阻值Rx變化范圍80～2000Ω。LM2596可調降壓芯片內含1.23V基準穩壓器，輸出電壓值Uout由變阻器阻值Rx和固定電阻器R4比值決定

(1)

單片機根據變系數PID運算結果，將輸出電壓變化量的計算值與模塊可實現的最大電壓變化量比值，按比例換算成-200～200之間的整數，控制滑動端上調或下調的步數，以改變數字變阻器的阻值Rx，從而完成對模塊實際輸出電壓值Uout的控制。

1.2 變系數PID算法原理

離散化的增量型PID[6]算式為

Δun=KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2)

(2)

式中KP為比例系數；KI為積分系數；KD為微分系數； Δun為控制器第n次采樣時電壓輸出變化量；en為設定溫度Tset與第n次的采樣溫度Tn的差值。

控溫系統實施效果與PID系數的選擇密切相關，通常PID系數在某一設定溫度值下調定，但當設定值改變時，控制的表現欠佳。系數整定也無法同時兼顧溫度調節的快速性和穩定性，往往通過犧牲前者來保障后者[7]。針對以上問題，提出了一種變系數PID算法，以改善控溫性能。具體步驟如下：

1)比例系數KP自整定函數

由式(1)可以看出，由比例環節引起的輸出電壓變化量

ΔuPn=KP(Tn-1-Tn)

(3)

比例調節對升溫和降溫過程起抑制作用，KP反映了抑制作用的大小。

設U0為恒壓加熱時，加熱片穩態溫度達到Tset所需的電壓，由恒壓加熱實驗可得到的U0與Tset的擬合關系式，通過單片機對關系式進行偏差補償。理論上，U0即為溫控系統電壓調節的終點值，令En=U0-un，En為電壓偏差。

升溫過程中，En或en越小，溫度超調可能越大，而En或en越大，需要的調節時間越長；降溫過程則相反。為了使溫度盡快達到設定值，且盡可能小的產生超調量，考慮在溫度有超調趨勢時增加KP，在預計剩余調節時間較長時減小KP。故建立函數關系式

(4)

式中a為比例系數基準值；b為電壓偏差作用系數；c為溫度偏差作用系數。

2)積分系數KI自整定函數

控溫系統PID積分環節引起的輸出電壓變化量

ΔuIn=KI·en

(5)

積分調節起消除靜差的作用，KI越大則穩態調節時間越短，但會增加溫度超調量。

傳統PID算法控溫時，在加熱片溫度穩定后，提高(或降低)同樣的溫度設定值(保證起始en相同)，原穩態溫度越高(或原穩態溫度越低)，所需調節時間越長。考慮在對超調量無明顯影響的情況下，通過提高KI值的方式減少調節時間，故建立函數關系式

(6)

式中d為en>0時的基準積分系數;e為en≤0時的基準積分系數；f為實際溫度作用系數。

3)由于系統無法在較短的采樣周期內(本文為0.2s)，跟蹤較大的微分作用輸出，致使微分作用相對較弱[8]，故對微分系數KD不做調整，與常規PID取相同值。

4)使用變系數PID系統進行氣敏元件控溫調試，根據溫度超調量、調節時間、升降溫速率差異調整a～f的取值，最終調定的變系數PID算法的系數表達式

2 實驗結果與討論

2.1 控溫曲線

控溫測試前，先將加熱片懸置于燒瓶中，以減小外界環境擾動對控溫的影響。分別采用恒壓加熱、常規PID和變系數PID控溫的方式，使加熱片升溫至200，350，500℃，得到的控溫曲線，如圖4所示。其中，常規PID的系數選擇為：KP=0.25，KI=0.015，KD=0.2，系數在設定溫度為350℃的情況下優化調定。

圖4 不同控溫方式下加熱片溫度變化曲線

可以看出，采用恒壓方式控溫，加熱片溫度變化平緩，所需的調節時間較長，目標溫度值為200，350，500℃時，調節時間分別為238，234，254s。調節時間，即達到目標值且誤差不超過±0.5℃所用時間。

使用設計的溫控系統后，常規PID與變系數PID控制下的調節時間較恒壓方式有大幅度的縮短，而且變系數PID較常規PID也有縮短。例如，當溫度設定值為350℃時，兩者調節時間均為15s左右；設定值為200℃時，常規PID下溫度出現超調，調節時間較變系數PID長8.4s；設定值為500℃時，常規PID下加熱片接近目標溫度時溫度變化緩慢，調節時間較變系數PID長6.4s。

由于常規PID的系數是在350℃下調定，設定值改變則無法保障控溫的性能，而變系數PID的系數自整定函數在設計時考慮到了不同溫度設定值的情況，因此，具有更好的適應性。

2.2 抗干擾能力

首先，將氣敏元件懸掛在一個圓柱形容器(φ35mm×52mm)內，放入30℃,45mm深水浴池中，分別用5.73V恒壓與變系數PID溫控系統對加熱片進行控溫，其中恒壓選擇滿足目標溫度350℃時溫度誤差0.2℃。待溫度穩定后，將容器分別移入50,70℃的水浴池中，測定氣敏元件受環境溫度的影響，如圖5所示。

圖5 變系數PID控溫與恒壓加熱溫度變化曲線

恒壓加熱時，容器移入50,70℃水浴池后，加熱片溫度有明顯升高，50℃水浴下最終穩態溫度約為359，70℃水浴下最終穩態溫度約368℃。由變系數PID控溫系統加熱時，加熱片溫度受到的影響較小，不同水浴條件下，加熱片的溫度偏差始終保持在±0.3℃的范圍內。

水浴溫度升高，容器壁的溫度也會隨之升高，導致加熱片散熱功率減小。恒壓加熱時，其加熱功率恒定，因此，穩態溫度會升高。變系數PID控溫時，其加熱電壓會根據溫度變化迅速做出調整，避免溫度產生較大的偏離，表現出較好的抗干擾能力。

3 結 論

將變系數PID溫度控制系統應用于半導體氣體傳感器元件，實驗結果表明：系統克服了氣敏元件的工作溫度受外界擾動影響，保障了待測氣體濃度檢測環境的可靠性。系統制作簡單、成本低，具有較大的應用潛力。

[1] 王紅勤,楊修春,蔣丹宇.電阻型半導體氣體傳感器的概況[J].陶瓷學報，2011(4):602-609.

[2] 潘 東.金屬氧化物半導體氣敏傳感器的加熱電路[J].傳感器世界,2002(7):24-25.

[3] 董克冰,曹勇全,張建國，等.氣體傳感器脈寬恒溫控制電路設計[J].微處理機,2015(1):76-78,83.

[4] 賈誠安,葉 林,葛俊鋒，等.一種基于STM32和ADS1248的數字PID溫度控制系統[J].傳感器與微系統,2015,34(11):103-105.

[5] 陳 楠.ADS1115:不到2 mm的超小型ADC芯片[J].世界電子元器件,2009(9):74.

[6] 林海波,王曉曦,劉奭昕.一種基于增量式數字PID算法的智能溫度控制器 [J].長春工程學院學報:自然科學版,2011(3):86-89.

[7] 蘇成志,李開亮,陳 棟,等.相對變系數PID控制算法[J].工業控制計算機,2012(4):43-44.

[8] 徐 鋒,張嫣華.數字控制系統的PID算法研究[J].機床電器,2008(6):8-10,19.

Applicationofvariable-coefficientPIDtemperaturecontrollingsysteminsemiconductorgassensor*

CHEN Yi-jun, GUO Xing-min

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

A temperature control circuit of PID for the sensor by STC microcontroller,LCD screen,temperature collection and digital voltage regulation modules and so on.On this basis, variable-coefficient is used to advance the PID algorithm.The experimental data show that the settling time required is shorter as compared with constant voltage heating,decreasing from234s to6s when it is heated at350℃.It also has the strong anti-disturbing capability in which the temperature fluctuated decreased from9℃ to0.3℃ as compared with constant voltage heating,when environmental temperature changed from30℃ to50℃ at the same heating temperature.Therefore,it is a potential heating method for semiconductor gas sensors.

semiconductor gas sensor; microcontroller; temperature control; variable-coefficient PID

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0154—03

2016—11—11

國家自然科學基金資助項目(U1460201，51374017)

TP 202

B

1000—9787(2017)10—0154—03

陳宜軍(1990-)，男，碩士研究生，主要從事半導體氣體傳感器的研究。郭興敏(1959-)，男，通訊作者,博士，教授,E-mail：guoxm@ustb.edu.cn。