微型可控温度源的设计

屈长衡

摘 要：根据现实应用领域的需要，在医疗、制药、化工、冶金以及各类实验室等多个方面，对微型可控温度源提出需求，为以上领域提供一个标准的温度源。文章对微型可控温度源的设计进行研究，实现对温度源温度的控制及校验，并且具有便携式、易于操作、维护简单的特点。

关键词：温度校验；传感器；PID算法

本设计主要应用基于嵌入式系统的温度控制器，它具有对温度源的温度检测、设定、校正等基本功能。检测温度源的温度控制从而达到对温度源温度调节。设计的主要任务是实现对温度源的温度实时调节，采用PID控制算法进行软件设计。对PID算法进行研究，设计出符合用户高精度的稳定系统。除此之外，系统还包括键盘、显示电路系统具有友好人机界面操作简单。

1 微型可控温度源

微型可控温度源是一种以凌阳单片机为核心，配置LCD显示、键盘人机接口界面，用温度传感器热电偶和温度采样器AD590对水泥电阻进行测试、调试、校准的一种校验仪器。此设计的设计测量范围从30～150 ℃，足以满足小型温度源需要，我们可以将需要的温度的数值通过人机界面输入到系统中，以凌阳单片机为中央处理器，保存输入的数据。通过AD590检测电路检测温度源的温度，将这个温度值传到凌阳单片机，将这个数值与键盘输入的数值进行比较。如果检测的数值小于输入的数值通过比例积分微分（Proportion Integral Differential，PID）算法和控制电路对温度源进行加热，如果检测的数值大于输入的数值，系统采用自然降温的方法将温度源的温度降下来，无论温度源的升温还是降温，在这两个过程中单片机对温度源的监测都是实时的，一直到被测的温度与输入的温度相等时，将此数值保持在这个值上误差大约±0.5 ℃。控制整个过程的温度参数，PID参数和加热功率都在液晶显示上显示，利用PID算法可以实现精准高效温控目标，确保温度源升温时间控制在3 min以内，为了满足方便使用和低功率的要求，我们将电源输入电压设计为AC 220 V，最大功率控制在30 W。系统框如图1所示。

关于温度校准，由于溫度校验仪在实际应用中可以输出各种物理信号，所以我们将此设计的标准器选择为可以测量电信号的标准器，并且要求电信号的不确定度小于要求允许误差的20%的测量标准器，并满足温度调整的均匀性大于0. 05 ℃，同时将热电阻电阻信号专用的连接线进行校准。

关于误差校验，可根据国家检定规程[1]中关于校准输出热电阻信号的有关内容，使用4根专用线连接校验仪和测量标准器[2]，这样就可以得到输出电阻信号的基本误差，通过查询分度表，就可以得到不同分度情况下的误差了。

温度源的设计主要目的是模拟现场的被测对象所设计的一种简单的加热或降温的装置。

需要的元器件有两块L2534型号的万用板，一个功率为30 W的水泥电阻一个AD590和一个热敏电阻。加热的水泥电阻用AD590检测到的水泥电阻的温度信号转换成电压信号给单片机。

2 控制方法设计

PID调节在自动控制系统中技术成熟，并且在连续自动控制系统中应用广泛。PID调节控制的基本方法就是输入或者反馈的偏差值，按照比例、积分、微分函数进行运算，将运算的结果输出用以控制被控对象。在设计应用中，可以根据实际情况和设计要求，灵活改变PID结构，利用部分或部分环节的组合，构成控制规律实施控制。

由于以单片机为控制核心的自控系统，是基于采样结果的自动控制，只能根据时刻采样结果进行计算。因此，在需对模拟系统中，PID算法的表达式进行离散化处理用数字形式代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项用求和及增量式表示，得出离散PID表达式：

根据以上式子可列出相应程序框图，按照框图逻辑关系对单片机进行编程设计。

2.1 单片机设计开发部分

SPCE061A提供了足够的存储空间和随机存储器这使得系统有了很大的扩展余量，除此之外，SPCE061A提供了AD转换器和丰富的中断源，使应用该单片机可以兼容对其他多种系统的开发，不仅可以降低设计难度，同时也可以降低设计成本。对凌阳单片机SPCE061A开发过程，可以通过线调试器实现，既可以通过在线调试器PROBE进行编程，也可以进行实时的在线调试，由于在线调试器的另一端提供了一个标准的25针打印机接口，直接连到计算机相应的接口即可实现通信，在计算机上通过集成开发环境软件包，就能够完成在线调试功能[3]。在本次设计的计算机控制系统中，以凌阳单片机为核心，控制整个温度源的运行，包括两个开关电源，以及友好人机交互界面等，整个程序主要包括软启动子程序、按键、检测程序、电压检测子程序、运行PID子程序。以SPCE061A芯片为核心的设计系统，使用C语言和汇编语言编程，不用考虑程序代码在实际物理存储器中的存储地址，易于实现编程和调试。

由于本设计需要有±12 V，+5 V供电，而我们常用的是市电AC220 V就不符合我们控制器的要求，我们需要把AC220 V转换成DC12 V和5 V。针对微型可控温度源，单独设计了高频开关电源对系统进行供电。

2.2 高频开关电源的主电路部分

这里主要是对常规的城市用电从电网被引入，到直流输出的全过程进行设计。整个电路包括输入初段的滤波器将电网杂波去除，经整波电路将电网交流电整流为相对比较平滑的直流电，再经过逆变电路将直流电转换为高频交流电，最后经过输出部分的整流和滤波就能得到一个符合设计需要的可靠直流电源。控制电路部分，采取输出端取样后与设定值比较的方法控制逆变器，通过控制逆变脉冲的频率或脉宽来达到使输出稳定的目的，同时设计保护电路，用以对整个系统提供保护措施。

2.3 温度传感器的选择部分

由于集成传感器体积小巧，灵敏度较高，精度适中，而且由于其线性输出的特点，特别适合本设计使用。AD590型集成温度传感器，它的主电流与热力学温度（开尔文）程线性关系，可测量的温度范围为﹣55 ～+150 ℃，原件的用电电源范围较宽（4～30 V）使用中不宜损坏，精度较高，在M档工作时，在﹣55 ～+150 ℃的非线性误差仅为±0.3 ℃，以上特性均是设计中使用AD590的主要依据。

2.3.1 键盘设计

键盘是由3个键组成的，与单片机相联。键盘是控制系统人机对话的桥梁。我们可以通过键盘输入数据和命令，为了稳定地将数据和命令传达给单片机，此键盘的设计主要做到了去抖的作用，按键从开启到闭合稳定，或者从闭合到全部打开，操作手法随人而异，一般要有数毫秒的弹跳时间（即抖动），弹跳可能将引起按一次键被输入多次的误操作，所以在键盘处理中我们将电阻和电容并联起来起到一个延时去抖的作用。

2.3.2 抗干扰措施

为了防止开关电源产生的开关电流脉冲对其他电子设备干扰，也防止外部干扰进入电源内，设计了滤波器电路，对模噪声和差模噪声进行抑制。控制系统抗干扰部分，采取了输入端并接吸收低频干扰信号的大容量电解电容和专门吸收高频干扰信号的无源电容来实现，同时采取单点接地措施。加热电源与高压电源之间的抗干扰措施，采用了铁氧体磁芯U16，使初级和接到电晕线上的次级相隔一定的距离，高频变压器不是直接固定在加热电源板上，而是隔开一定距离减少了干扰。

3 结语

温度控制器具有较强的实际应用价值，能够较好地满足使用者的需要。控制系统以凌阳SPCE061A单片机为核心，温度变化信号经测量和整理电路后，使其满足A/D变换电路的值要求，经AD590变换后送到单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用PID控制的方法，输出一个控制量。同时用LCD显示当前温度和PID参数，用户可以自定义设定的温度值大小和PID参数的正定。

[参考文献]

[1]北京市标准计量局.温度计量[M].北京：中国计量出版社，1987.

[2]国家技术监督局.JJG617—1996数字温度指示调节仪检定规程[M].北京：中国计量出版社，1997.

[3]雷思孝.凌阳16位单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.