微型可控溫度源的設計

屈長衡

摘 要：根據現實應用領域的需要，在醫療、制藥、化工、冶金以及各類實驗室等多個方面，對微型可控溫度源提出需求，為以上領域提供一個標準的溫度源。文章對微型可控溫度源的設計進行研究，實現對溫度源溫度的控制及校驗，并且具有便攜式、易于操作、維護簡單的特點。

關鍵詞：溫度校驗；傳感器；PID算法

本設計主要應用基于嵌入式系統的溫度控制器，它具有對溫度源的溫度檢測、設定、校正等基本功能。檢測溫度源的溫度控制從而達到對溫度源溫度調節。設計的主要任務是實現對溫度源的溫度實時調節，采用PID控制算法進行軟件設計。對PID算法進行研究，設計出符合用戶高精度的穩定系統。除此之外，系統還包括鍵盤、顯示電路系統具有友好人機界面操作簡單。

1 微型可控溫度源

微型可控溫度源是一種以凌陽單片機為核心，配置LCD顯示、鍵盤人機接口界面，用溫度傳感器熱電偶和溫度采樣器AD590對水泥電阻進行測試、調試、校準的一種校驗儀器。此設計的設計測量范圍從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值通過人機界面輸入到系統中，以凌陽單片機為中央處理器，保存輸入的數據。通過AD590檢測電路檢測溫度源的溫度，將這個溫度值傳到凌陽單片機，將這個數值與鍵盤輸入的數值進行比較。如果檢測的數值小于輸入的數值通過比例積分微分（Proportion Integral Differential，PID）算法和控制電路對溫度源進行加熱，如果檢測的數值大于輸入的數值，系統采用自然降溫的方法將溫度源的溫度降下來，無論溫度源的升溫還是降溫，在這兩個過程中單片機對溫度源的監測都是實時的，一直到被測的溫度與輸入的溫度相等時，將此數值保持在這個值上誤差大約±0.5 ℃。控制整個過程的溫度參數，PID參數和加熱功率都在液晶顯示上顯示，利用PID算法可以實現精準高效溫控目標，確保溫度源升溫時間控制在3 min以內，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計為AC 220 V，最大功率控制在30 W。系統框如圖1所示。

關于溫度校準，由于溫度校驗儀在實際應用中可以輸出各種物理信號，所以我們將此設計的標準器選擇為可以測量電信號的標準器，并且要求電信號的不確定度小于要求允許誤差的20%的測量標準器，并滿足溫度調整的均勻性大于0. 05 ℃，同時將熱電阻電阻信號專用的連接線進行校準。

關于誤差校驗，可根據國家檢定規程[1]中關于校準輸出熱電阻信號的有關內容，使用4根專用線連接校驗儀和測量標準器[2]，這樣就可以得到輸出電阻信號的基本誤差，通過查詢分度表，就可以得到不同分度情況下的誤差了。

溫度源的設計主要目的是模擬現場的被測對象所設計的一種簡單的加熱或降溫的裝置。

需要的元器件有兩塊L2534型號的萬用板，一個功率為30 W的水泥電阻一個AD590和一個熱敏電阻。加熱的水泥電阻用AD590檢測到的水泥電阻的溫度信號轉換成電壓信號給單片機。

2 控制方法設計

PID調節在自動控制系統中技術成熟，并且在連續自動控制系統中應用廣泛。PID調節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、微分函數進行運算，將運算的結果輸出用以控制被控對象。在設計應用中，可以根據實際情況和設計要求，靈活改變PID結構，利用部分或部分環節的組合，構成控制規律實施控制。

由于以單片機為控制核心的自控系統，是基于采樣結果的自動控制，只能根據時刻采樣結果進行計算。因此，在需對模擬系統中，PID算法的表達式進行離散化處理用數字形式代替連續系統的微分方程，此時積分項和微分項用求和及增量式表示，得出離散PID表達式：

根據以上式子可列出相應程序框圖，按照框圖邏輯關系對單片機進行編程設計。

2.1 單片機設計開發部分

SPCE061A提供了足夠的存儲空間和隨機存儲器這使得系統有了很大的擴展余量，除此之外，SPCE061A提供了AD轉換器和豐富的中斷源，使應用該單片機可以兼容對其他多種系統的開發，不僅可以降低設計難度，同時也可以降低設計成本。對凌陽單片機SPCE061A開發過程，可以通過線調試器實現，既可以通過在線調試器PROBE進行編程，也可以進行實時的在線調試，由于在線調試器的另一端提供了一個標準的25針打印機接口，直接連到計算機相應的接口即可實現通信，在計算機上通過集成開發環境軟件包，就能夠完成在線調試功能[3]。在本次設計的計算機控制系統中，以凌陽單片機為核心，控制整個溫度源的運行，包括兩個開關電源，以及友好人機交互界面等，整個程序主要包括軟啟動子程序、按鍵、檢測程序、電壓檢測子程序、運行PID子程序。以SPCE061A芯片為核心的設計系統，使用C語言和匯編語言編程，不用考慮程序代碼在實際物理存儲器中的存儲地址，易于實現編程和調試。

由于本設計需要有±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轉換成DC12 V和5 V。針對微型可控溫度源，單獨設計了高頻開關電源對系統進行供電。

2.2 高頻開關電源的主電路部分

這里主要是對常規的城市用電從電網被引入，到直流輸出的全過程進行設計。整個電路包括輸入初段的濾波器將電網雜波去除，經整波電路將電網交流電整流為相對比較平滑的直流電，再經過逆變電路將直流電轉換為高頻交流電，最后經過輸出部分的整流和濾波就能得到一個符合設計需要的可靠直流電源。控制電路部分，采取輸出端取樣后與設定值比較的方法控制逆變器，通過控制逆變脈沖的頻率或脈寬來達到使輸出穩定的目的，同時設計保護電路，用以對整個系統提供保護措施。

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，特別適合本設計使用。AD590型集成溫度傳感器，它的主電流與熱力學溫度（開爾文）程線性關系，可測量的溫度范圍為﹣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，在﹣55 ～+150 ℃的非線性誤差僅為±0.3 ℃，以上特性均是設計中使用AD590的主要依據。

2.3.1 鍵盤設計

鍵盤是由3個鍵組成的，與單片機相聯。鍵盤是控制系統人機對話的橋梁。我們可以通過鍵盤輸入數據和命令，為了穩定地將數據和命令傳達給單片機，此鍵盤的設計主要做到了去抖的作用，按鍵從開啟到閉合穩定，或者從閉合到全部打開，操作手法隨人而異，一般要有數毫秒的彈跳時間（即抖動），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起來起到一個延時去抖的作用。

2.3.2 抗干擾措施

為了防止開關電源產生的開關電流脈沖對其他電子設備干擾，也防止外部干擾進入電源內，設計了濾波器電路，對模噪聲和差模噪聲進行抑制。控制系統抗干擾部分，采取了輸入端并接吸收低頻干擾信號的大容量電解電容和專門吸收高頻干擾信號的無源電容來實現，同時采取單點接地措施。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，使初級和接到電暈線上的次級相隔一定的距離，高頻變壓器不是直接固定在加熱電源板上，而是隔開一定距離減少了干擾。

3 結語

溫度控制器具有較強的實際應用價值，能夠較好地滿足使用者的需要。控制系統以凌陽SPCE061A單片機為核心，溫度變化信號經測量和整理電路后，使其滿足A/D變換電路的值要求，經AD590變換后送到單片機。單片機對接收到的信號與設定信號進行比較，采用PID控制的方法，輸出一個控制量。同時用LCD顯示當前溫度和PID參數，用戶可以自定義設定的溫度值大小和PID參數的正定。

[參考文獻]

[1]北京市標準計量局.溫度計量[M].北京：中國計量出版社，1987.

[2]國家技術監督局.JJG617—1996數字溫度指示調節儀檢定規程[M].北京：中國計量出版社，1997.

[3]雷思孝.凌陽16位單片機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.