(5.3)--基于PID调节的恒温控制系统.pdf

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1、计算机测量与控制 （）控制技术 收稿日期：；修回日期：。作者简介：景希（），女，湖北武汉人，在读硕士，主要从事智能检测方向的研究。通讯作者：高国伟（），男，武汉市人，博士，主要从事自动化技术，环境科学与资源利用，材料科学方向的研究。引用格式：景希，高国伟基于 调节的恒温控制系统计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：基于 调节的恒温控制系统摘要：加速度计在温度环境变化剧烈的情况下，测量精度受到很大影响，产生漂移误差，难以满足高精度导航的需求，因此迫切需要设计一种恒温电路，使加速度计长期工作在稳定的工作环境中，研究了在恒温情况下加速度计的工作状态；针对恒温控制这一要求，设

2、计了基于 的一种恒温控制电路，将传感器由加热电路和保温层包围，减少散热，提出了由 和高精度数字温度传感器 相结合的软件控制系统，对 控制进行深入研究，提出一种新的控制方式；最终输出占空比、控制温度和检测温度数据，经实验测试，工作环境下，控制后系统超调量为，在两分钟内温度从 升温至 并稳定，稳定后满足温度精确控制在 ，能够有效维持系统恒温。关键词：加速度计；恒温装置；控制；，（，；，）：，：；引言恒温控制技术很早被用于研究实验中，以前使用的系统体积比较大，在此结构上进行恒温控制需要用加热和制冷装置以及保温材料等将整体结构的外围包围起来，体积大且价格昂贵，大体积的加热、制冷电路需要消耗的功率大，电

3、路整体结构变大，电路温度传递速率慢，热量传输不均匀，结构受热不均匀，传热滞后现象明显。针对系统体积大、热量传递不均匀、传递速度慢等缺点，该系统选用了 器件。在现代工业技术中，加速度计被广泛使用，加速度计采用了微机电技术，其尺寸大大地减少，还具有重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优点，使其应用于许多领域，如振动检测、姿态控制、航空导航等领域。由于 加速度计由硅材料、电容等一系列微机械加工工艺制成，在工作环境温差较大条件下，由于热胀冷缩使材料发生形变，材料性质发生变化，材料弹性、导电系数及结构尺寸都会变化，这些因素是造成加速度计测量误差的主要因素，使加速度计发生温度漂移，造成精度不准确，可靠性差。

4、由于 加速度计尺寸小，外加恒温控制电路尺寸也大大地减小，加热所需功耗减少，热辐射以及热对流少，热传递速率加快，容易实现系统快速均匀受热。因此，设计出一种小型恒温控制电路，可行性高，研究传感器在恒温工作电路中的特性是具有很大实际应用意义的。系统结构该系统选用亚德诺半导体推出的加速度计 ，是投稿网址：第期景希，等：基于 调节的恒温控制系统 一种差动电容式的数字输出型加速度传感器，集成度高，是一款低功耗的三轴加速度计，有三路 位模数转换器，具有 、接口等 。灵敏度温度变化为 ，工作电压 ，工作电流 。主控制器选用 ，是美国 公司推出的功能强大的 的 位定点 ，拥有高效控制能力和高速运算能力，运行时钟

5、最快可达 ，处理数据为 位，外设丰富，片上外设主要包括 路 位 的 转换，指令周期最快为 ，路 ，路 ，路多通道缓冲串行口，路 接口等，适用于电机控制和工业控制等。电源上电顺序为先 外围上电，后 内核上电。温度传感器用接口与数据信号处理器进行通信，读取温度传感器数据，在 内编写软件算法，设置固定 参数，调控 占空比，使驱动电路工作，实现温度加热。加速度计与 用 总线方式进行传输通信。温度控制模块主要由加热电阻、温度传感器、晶体管、光耦等器件构成。图系统结构框图恒温系统硬件设计 信号采集模块信号采集电路是系统中重要部分，采集电路对温度的敏感度和准确度决定了整个温度控制系统的精确度。电阻温度探测器

6、，称为热电阻，电阻值与温度是线性关系，温度升高阻值变大，温度降低阻值减小，常用的热电阻材料有铂、镍和铜等。选用 测量加热电路的温度，灵敏度为 ，电阻特性为：当 ：（）（）当 ：（）（）其中：为温度是时的热电阻阻值，为热电阻在下的阻值，、为热电阻相关系数，与金属材料有关，为测量温度。其中非常小，近似于，所以，满足温度的情况下铂电阻为：（）（）热电阻阻值与温度近似呈线性关系，热电阻阻值恒定就能满足温度的恒定，从而实现温度的控制。根据欧姆定律，利用 控制器控制电阻的电压电流便可以保持电阻恒定，从而实现温度的控制。温度传感器 用于检测加速度计的温度，是一款低 功 耗、高 精 度 的 数 字 温 度 传

7、 感 器。与 通过接口进行数据通信，温度传感器输出数字信号，可以直接读取数据解算温度。内部如图所示。图 内部框图 可提供 位温度结果，具有 的分辨率，符合系统的应用条件，在 的工作温度范 围 内 且 无 需 校 准 即 可 实 现 高 达 的 精 度。精度高于热电阻精度，但电流消耗不足 激励电流的五分之一。比热电阻更易于使用，且无需校准、外部电路、匹配走线和开尔文连接。仅消耗极小的电流，除了节能外，还最大限度减少自发热，检测温度 准确，提高 了测 量 精度。工 作 电 压 为 ，典型电流消耗 。考虑系统高精度要求和设计成本，选用 采集加速度计温度信号，用两个 检测加热电路温度和传感器外 壳 的

8、 工 作 环 境 温 度，精 度 高，价 格 较 高，由于加热电阻温度作为控制温度，对测得的加热电路温度精度要求低，所以选用 测量加热电路的温度，既节约成本又保证装置的可靠使用性能。温度采集电路如图所示，和 均为 的温敏电阻，用于测量加热电路温度和传感器外壳温度，采用半导体材料，阻值随温度变化呈非线性变化，用于采集时温度测量。半导体内，电子和空穴的浓度分别为、，迁移率分别为、，则半导体的电导为：（）（）、均为与温度相关的函数，所以电导是温度的函数，由此可以通过测量电导得出温度的数据。检测电路选用 低通电路，电路具有简单滤波作用，电容有隔直通交的作用，直流不会流过电容器。在这种滤波电路中，如果电

9、阻器的阻值不变时，增加滤波电容的容量能够改善滤波效果，理论上滤波电容的容量越大越好。如果滤波电容的容量不变，加大电阻的阻值滤波效果提高，但阻值不能太大，阻值过大会影响电压的输出。由于其相频特性，具有延时滞后作用，且 电路可测量电压范围大，常用采集电路还有电桥电路，电桥电路通过测量投稿网址：计算机测量与控制第 卷 差分电压从而保持电路平衡，但可测范围小，不适用该系统。、分别与 模数转换接口 、相 连 接，由 于 是 位 转换，温度测量范围在 ，每升高 增加一位数字信号量。、是分压电阻，用于调节电压大小。图信号采集电路 控制驱动信号，控制电压驱动 管开通和关闭，将电压加在加热电阻上，当温度降低，控

10、制占空比使加热电阻加热，温度达到稳定值时，控制占空比，减少加热量。根据热量守恒原理，为保持温度为恒温不变，使产生的热能量与散发热能量相等。散热主要通过辐射、对流和热传递方式。传热公式为：（）为热流量，为总导热率，为传热面积，为温度差。散热量与导热体材料、导热面积及热流量有关。加热电路加热电路如图所示，通过光电耦合器驱动电路三极管的导通，光电耦合选用 ，体积小，最高可输出 的电流，具有较强的隔离能力和驱动能力，最大工作温度为 ，最小工作温度为 ，最大正向二极管电压 ，最小正向二极管电压，元器件导通，电阻通电加热，元器件截止，电阻停止加热，两个阻值为 的电阻分别用于装置上下加热，使装置均匀加热，受

11、热均匀。图加热电路 保温结构保温结构将传感器以及加热电路等全部包裹起来，最里层是电路板、加速度计和 ，用软体导热垫将其包围，软体导热垫选用硅胶片，导热硅胶片是片状的，而且是软体，膏状的，硅胶片柔软易压缩，能重复填充产品空隙，可以解 决导 热问 题，而 且 软 性 硅 胶 片 厚 度 在 ，且导热均匀，在本次设计中，将硅胶片作为填充缝隙导热材料较为合适。软体导热垫外层是铝导热壳体，铝导热性能好，密度较小，重量轻，用于传递加热电阻的热量，最外层是保温层，包围整个加热内部结构。电源电路系统电源电路如图所示，使用直流稳压电源提供 电压，稳压器选用 ，利用电源转换稳压器输出电压 和 给系统供电，引脚、与

12、 核心数字电压相连接。图电源电路软件设计 算法目前温度控制方法已经大量得到了应用，控制方法工作原理简单，实现容易，已经得到广泛应用，对微分、积分、比例参数的调节，能加快系统的响应速度，消除系统的稳态误差，改善系统动态性能。温度控制选用 控制算法，是一个闭环负反馈控制系统，通过 解算温度传感器的数字信号温度，调控占空比，控制 管的截至与导通，从而控制电阻工作，实现电路的加热。算法涉及到比例、积分、微分个部分，比例控制是对当前偏差的反应，积分控制是通过调节 控制器参数，使系统快速达到稳定响应。偏差值（）是给定值与测量值之间的差，增加比例增益可以调整比例度，直接影响当前误差信号，比例系数小，调节力度

13、不够，系统输出量变化缓慢，比例系数过大时，调节后系统偏差值变化幅度过大，调节力度太强，产生输出值较大的变化，会导致系统不稳定。积分环节是对以往的误差信号累计补偿，积分控制能够消除系统的静态误差，增大会增加系统的超调量，使系统振荡，减小系统震荡小但稳定时间会变长。微分值是与系统误差信号的变化率有关，微分环节可以预测误差变化的趋势，增大可以加快系统响应速度。算法原理 为：（）（）（）（）对式（）两端进行拉普拉斯变换，得出控制器的传递函数为：（）（）投稿网址：第期景希，等：基于 调节的恒温控制系统 公式（）是标准型 控制器，系统选用的温度传感器采样输出连续的数字输出信号，采样点的频率为 ，数据经过简

14、单滤波后，设定 每秒输出 个温度信号。恒温控制软件流程设计本装置中 是控制器，温度传感器是检测元件，电阻是被控对象。程序设计由系统初始化、温度采集模块、控制部分以及温度比较构成。初始化设置系统初始化是对控制器上电过程中对 频率的设定，、时钟的设定，与加速度计连接的 串口初始化，与温度传感器连接的串口初始化。铂电阻采集模拟信号连接 的 到 ，保持 通道模拟输入，使通道不间断采集输入信号。控制脉冲宽度调制是一种将数字信号转换为模拟信号的控制方式，根据负荷的变化控制晶体管的偏置，从而调节晶体管导通的时间，集电极正偏发射机反偏，晶体管处于正向导通状态，截止状态晶体管不能导通，电流为。中端口是通过软件设

15、置调控的占空比，从而控制电路导通时间，系统内部先快速读取温度传感器的数字信号与系统设定的温度进行比较，若温度传感器信号偏小，则向增加电流导通时间的方向调整的占空比，温度传感器信号偏大则向减小电流导通时间的方向调整的占空比。使加传感器能够在工作环境 情况下正常工作，恒温系统设定限定温度为。如果使用单一的 调节，工作环境温度由工作环境温度上升到 的过程中，开始升温时偏差值（）会较大，系统主要由比例环节调控，达到升温的效果，但造成很大的超调量，超调量过大会引起系统动态性能不稳定。由微分控制的作用，偏差值（）减小，温度开始下降，低于 后，积分环节控制，温度升高，如此反复，导致系统不断地振荡，系统动态稳

16、定性下降，稳定时间长。单一使用 调节，系统稳定时间较长，产生震荡，并且有较大超调量，为了解决这些问题，系统首先采集传感器温度，比较采集温度与 的大小，若小于，在初始升温阶段 调节不发生作用，令、均为，占空比为 时加热电路全速工作，直至温度升高至。当采集温度大于，再开始 调节。每个周期采级的温度经过 调节后与控制温度 比较，根据温度差调整占空比，控制过程中令为，为 ，为 。系统从 开始使用 调节，目标升温范围小，超调量也会小，稳定速度更快，稳定时间更短。温度稳定在 时，散热量等于发热量，应维持稳定不变。系统流程如图所示。实验结果与分析 实验步骤和方法连接好装置的硬件线路，将程序烧写进 中，调节图

17、系统流程示意图 的参数，首先只加入比例系数，波形没有较大波动幅度时确定比例系数为，然后加入积分环节和微分环节，积分参数不能过大，经过反复选取参数，选取积分参数为 ，微分参数为 。最后给设备上电，统计输出数据。实验数据分析外界温度为 时的响应曲线如图所示，加速度计从初始温度 开始升温，开始过程中 不发生作用，加热电阻开启全速工作模式，给整个恒温系统加热。在系统工作时，由于传感器工作环境为 ，此时低于加速度计自身温度，刚通电时，加热电阻发热功率不足以使加速度计迅速升温，散热量大于加热量，温度短时间的下降然后迅速上升，控制温度测量的是加热电阻的温度，检测温度测量的是加速度计的温度。加热电阻导通工作，

18、热量传递到加速度计，传递过程有温度散热和时间的延迟，所以加热电阻温度超前于加速度计温度，当控制温度达到峰值时，检测温度仍处于升温状态，且峰值温度高于控制温度，温度持续升高是由于当加热电阻达到峰值时，占空比虽然减少，发热量减少，但此时有前一时间段的热量因时间延迟在传递给加速度计，发热量仍大于散热量，导致加速度计温度升高，当 占空比减小时，如图所示，系统通电在到 间加热电阻全工作，在此间占空比为 ，温度快速达到 后，加热电阻持续工作占空比由 开始下降，装置在 温度从 升温至 并稳定。控制后系统超调温度最高为 ，超调量为 ，以后，占空比稳定在 附近，此时散热量等于发热量，装置能够达到温度稳定效果。经

19、过多次试 验 测 量，测 试 了 工 作 环 境 在 时，占空比稳定在 附近，工作环境在，占空比稳定在 附近。如图所示，检测装置在通电 间的温度，检测温度误差范围 内，且随着检测时间增加，装置更加稳定，经实验测试达到了温度波动范围在 内，稳定效果更佳，系统能够快速响应并稳定，精确度高。如图 所示，实验测量了传感器工作环境为 时，系统稳定状态下的检测温度和控制温度，由图 可知，系统稳定后加速度计温度维持在 ，与设定温投稿网址：计算机测量与控制第 卷 图温控系统温度响应曲线图 时 占空比调节曲线图 时系统稳定后温度采集曲线图 时系统稳定后温度采集曲线度仅偏差 ，精确度极高，实用性强，体现了在该系统

20、中 调节的优势，选取的参数适用于本系统，针对加速度计的应用特点，使数据能够稳定输出，在检测温度恒定的情况下，控制温度有不到 的波动幅度，体现了控制的作用，微小的测量变化都会引起占空比的改变，也体现了加热电阻发热量变化的动态过程。当传感器工作环境温度变化时，在实验室情况下测量了环境温度从 升温至 的动态情况，分别检测了传感器外壳的温度和传感器内部敏感器件 的温度，如图 所示，采集了 个数据点，在一个小时内，外部动态温度升温了，而内部温度传感器检测到加速度计的温度变化范围为 ，变化 ，波动幅度在 之内，完全不受外部工作环境的影响，恒温控制效果反馈良好，内部检测温度能够长时间保持波动较小幅度，温度控

21、制稳定性高。图 动态温度采集结束语本文设计了基于 为数据处理核心的恒温控制系统，以温度采集系统和驱动系统等外围电路，可以实现复杂的控制，对温度的控制精度达到 ，整个系统低功耗，达到了较高地控制性能要求，减少了温度因素对敏感器件的影响，对加速度计在恶劣环境下稳定工作具有对实际应用具有一定的价值。参考文献：马广彬加速度计温度控制系统研究和设计 西安：西安电子科技大学，蒙正基于加速度计的温度控制系统设计 仪器仪表用户，（）：黄卫权，王磊加速度计温度控制系统设计与实现 应用科技，（）：何海洋，王章波基于温控方案的一种 惯性测量装置设计 计测技术，（）：罗倩基于 的恒温控制系统的设计 自动化技术与应用，（）：刘玲，苏立娟，曾勇超，等一种关于挠性加速度计温度控制系统 设 计 方 法 计 算 机 测 量 与 控 制，（）：宋春光基于 的加速度计温度控制系统设计与研究 西安：西安电子科技大学，梁永忠恒温控制器设计 电子世界，（）：王晓娜基于改进 的恒温控制软件设计与实现 计算机仿真，（）：李天旭，陈广大，王腾腾，等基于 的恒温水浴温度检测与控 制 系 统 设 计 计 算 机 测 量 与 控 制，（）：，投稿网址：