高精度恒温控制电路

第28卷第4期

武汉理工大学学报・信息与管理工程版

V o l

.28N o .42006年4月

JOU RNAL O F WU T (I N FORMA T I O N &MANA GEM EN T EN G I N EER I N G )

A p r .2006

文章编号:1007-144X (2006)04-0038-03

收稿日期:2005-06-02.

作者简介:张洪昌(1980-),男,山东烟台人,武汉理工大学机电工程学院硕士研究生.

高精度恒温控制电路

张洪昌,田会方,赵　恒

(武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉　430070)

摘　要:常用的温度调节方法有继电式调温、调压器调压调温和电子式(多用可控硅)调压调温等几种。继电式调温依靠继电器的频繁切换来保持温度,它的温度调节比较粗略,精度不高,响声大,使用寿命低。调压法调压的特点是对电网电压影响小,但比较笨重,调节粗糙,精度较低。而可控硅调压调温的特点是体积小、无噪声、调节方便且控制精度高,但对电网会产生一些影响,适用于科研实验等小功率加热器。所设计的恒温控制电路由于采用单片机作为控制器,其电路设计简单,控制精度高,可达到±0.04℃。关键词:可控硅;移相调压;P I D 算法;移相控制中图法分类号:T P 273.2 文献标识码:A

1　引　言

在实际工作和科研中,许多实验均需要用加热器来加热实验对象,使其达到并保持在某一设

定温度,而且在实验过程中,对象的温度有时要求稳定性很高,有时需要不断地调节。常用的调节方法有继电式调温、调压器调压调温和电子式(多用可控硅)移相调压调温等几种。可控硅调压调温的特点是体积小、无噪声、调节方便、控制精度高,但会对电网产生一定影响,适用于科研实验等小功率加热器,笔者设计的高精度恒温控制电路采用单片机作为控制器,其电路设计简单,控制效果好,以下将对利用可控硅设计的恒温控制电路做具体的介绍和分析。

2　控制原理

在交流电的一个周期中,从过零点起,延时一

段时间再给可控硅一个触发信号使其导通。这样,加在负载上的有效功率由延迟导通时间控制,延迟导通时间越长,负载的有效功率越低。因此,可对可控对象的温度进行控制[1]。

加热器的温度控制电路结构图如图1所示。图1中,U 1为电压;U 2为可控硅调节后的制热电压;T 为加热器反映到温度传感器的温度;T c 为反馈给温度控制算法计算移相控制量的温度信号;T k 为温度控制给定值;

C t 为经过温度控制算法计算后的移相控制值,即可控硅延迟导通时间;P 为控制触发电路的电压;a 为触发可控硅导通的脉冲信号。整个电路可分成过零检测电路、温度检测电路、控制电路和算法计算主电路4个部分。

3　温控电路的设计与分析

3.1　过零检测电路

过零检测电路如图2所示。

图1　加热器的温度控制电路结构图

图2　过零检测电路

T 为单向光耦,隔离220V 交流电与V CC ,因

此,必须使用元件D 整流使交流的负半周期变为正。K I N T 0输出的为过零点的信号。3.2　可控硅触发控制电路

可控硅触发控制电路如图3所示。

图3　可控硅触发控制电路

图3中元件M 2是隔离式双向触发可控硅的专用芯片;元件TR I 2是双向可控硅;当Kou t 1端有脉冲输入时,可控硅即可被触发导通。

该电路简单实用,没有复杂的芯片,对温度控制能够起到很好的效果。3.3　温度检测电路

温度检测使用的是集成数字温度传感器D S 18B 20。

D S 18B 20是DALLA S 公司生产的一种线式数字温度传感器,具有3引脚TO 292小体积封装形式;温度测量范围为-55℃～+125℃,内置12位精度的A D 转换器,其测温分辨率可以达到0.0625℃;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个D S 18B 20可以并联到3根或2根线上,CPU 只需一根端口线就能与诸

多D S 18B 20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。3.4　算法软件设计

算法计算主电路是控制的核心。算法是通过程序在单片机中完成的,其过程主要是根据当前的检测温度,计算出过零点至导通的延迟时间。由于单片机计算速度快,定时时间单位小(一般是1Λs ),因此,经过算法计算得到的延迟时间精确度高,可以达到市电整流后周期(10m s )的万分之一,控制的精度非常高。

温度控制的控制算法很多,这里采用P I D 算法,其实现过程简单,计算量小,控制效果好。数字式P I D 控制式为

P dlt =K p ×[e (t )-e (t -1)]+K i ×e (t )+K d ×[e (t )-2×e (t -1)+e (t -2)]

其中,P dlt 为上次输出量的增加量;e (t )为设

定温度与当前温度的差值。

P I D 控制过程最主要是各个参数的选择。时间周期T 的选择一般在经验值20s 的基础上调整,周期T 确定后,在单片机中定时的方法很多,这里采用的是根据市电过零的次数乘以市电整流后的周期;K p 、K i 、K d 的参数主要根据以下现象进行调整:

(1)加温很迅速就达到目标值,但是温度过冲很大。K p 太大,致使在未达到设定温度前加温比例过高;K d 过小,致使对对象的反应不敏感。

(2)加温经常达不到目标值,小于目标值的时间较多。K p 过小,加温比例不够;K i 过小,对偏差补偿不足。

(3)经常波动,上下偏差较大。K d 过小,致使对对象的反应不敏感,反应措施不力;K i 过大,使系数的调节被淹没;T 过小,加热来不及传到测温点。

(4)受环境影响较大,稍微变动就会引起温度波动。K d 过大,致使对对象的反应太敏感,反应措施调节量过大;T 过大,不能及时修正。

这种人工P I D 参数调整的方法,实验次数比较多,调试过程时间长。一般情况下,当基本P I D 控制算法能够运行时,可以将模糊控制、自整定控制等算法添加其中,以便能够快速整定参数。但从试验结果来看,为了达到高稳定度控制,还需要根据自整定的参数值做适当调节[2]。

4　结束语

当电路硬件安装好后,还要反复调试P I D 控制参数,使其控制效果达到最好。例如,以220V 交流电供电,用400W 的加热丝加热,对20L 铁箱进行空气恒温控制,根据时间和对应的温度,大体

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