Pt 100的精密恒温水箱测控系统设计*

方 雄， 梁成文， 李凯扬

(武汉大学 物理科学与技术学院 电子科学与技术系，湖北 武汉 430072)

Pt 100的精密恒温水箱测控系统设计*

方 雄， 梁成文， 李凯扬

(武汉大学 物理科学与技术学院 电子科学与技术系，湖北 武汉 430072)

针对恒温水浴高精度温度控制要求，设计了一种新型恒温水箱智能测控系统。系统采用MSP430单片机作为核心，使用Pt 100温度传感器为测温元件，以半导体致冷器(TEC)为制冷元件，结合比例—积分—微分(PID)算法和脉宽调制(PWM)控制来实现对目标对象温度的精确控制。系统测温范围设定在0～60 ℃，样机性能测试结果表明：该系统可以实现测温精度优于±0.05 ℃的控制要求，具有±0.01 ℃的分辨率，控温精度±0.2 ℃。实际应用表明：该系统可靠性好、控制精度高、性能稳定、操作简便及通用性强，具有较高的实用价值和应用推广价值。

单片机； 温度传感器； 数字比例—积分—微分； 恒温水箱

0 引 言

本文设计了一种基于Pt 100的新型精密恒温水箱温度测控系统。系统选用Pt 100温度传感器代替数字温度传感器DS18B20作为测温元件，测温绝对精度更高、响应速度更快、稳定性更好；采用MSP430单片机作为主控制器，相比一般单片机具有超低功耗、处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、方便高效的开发环境等优点；通过增量式PID算法和脉宽调制(PWM)功能来实现对目标对象温度的精准控制。本系统采用半导体制冷器(TEC)当作系统的制热和制冷的装置，相比普通制冷器具备特有的加热和制冷功能，有着无污染、寿命长、制冷速率大等许多优点，并且TEC器件是电流驱动器件，易于形成反馈系统。

1 系统工作原理

本文所设计的恒温水箱系统基本工作原理如图1所示。系统利用热敏电阻Pt 100[4]当作温度传感器获取实时温度。热敏电阻Pt 100将温度转换成电压信号，经过电压放大电路、低通滤波以后传送给单片机，单片机用其自带的ADC10将电压信号采样、量化；获得的实时温度数据和目标温度数据通过PID算法处理后，产生相应的控制信号经功率驱动电路来控制TEC器件制热或制冷。PID算法是按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID调节器，在工业控制中得到了广泛的应用。由于半导体制冷片是电流换能型器件[5]，系统通过微处理器的PWM功能控制输入电流，即可实现对目标温度的高精度控制。系统选用的TEC和水箱是相互独立的，单独对一部分水加热或制冷，两者通过智能蠕动泵形成了一个自动控温水循环系统。

图1 系统原理框图

2 系统硬件电路设计

2.1 主控CPU模块

系统设计选用美国TI公司的MSP430单片机[6]作为主控制器，其内部自带8路10位200 ksps的ADC通道，因此在测温电路中不需外加A/D转换芯片，使硬件电路得以简化。除此之外，MSP430单片机还有两个定时器，16 kB的程序存储空间以及512B的数据存储空间，完全能够实现本系统的功能。

2.2 电源模块

恒温水箱控制系统里，由于温度测量电路、单片机、TEC器件、散热片和蜂鸣器等功率电路对电源有各自的需求，必须进行分块设计。单片机的供电电压介于1.8～3.6 V，需独立供电。本系统利用可控精密稳压器件TL431来实现一个稳定的3.3 V电压源。温度采集模块中的仪表放大器AD620需要双电源供电，同时要求电源纹波很小，系统利用三端稳压芯片LM7805和LM7905得到±5 V的电压，然后在输入输出端分别增加2个大小不同的旁路电容去除电源纹波。由于本系统采用的TEC器件最大电流可达到6 A，所以TEC器件选用12 V的大功率开关电源供电。

2.3 温度采集模块

1.2.1.2.5素养制定治疗室及配药室的各项行为规范手册，使用药品后尽早放回原处，操作后配药室的台面污垢，污渍，药渍及时清理，保洁员及护士也要定期对治疗室进行清扫，强调医疗工作者的责任感，集体荣誉感和团队合作精神。

图2 温度采集模块电路图

2.4 人机交互模块

在本系统的设计中使用3个按键来完成温度设定的功能，其中，K1为设置按键，当系统处于正常工作时按下此按键，可使系统停止工作，此时可设置目标温度，再次按下此键返回到正常工作状态；K2、K3功能为加、减。数据显示输出选用液晶LCD-CH12232B作为显示器件，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。

2.5 TEC驱动电路模块

半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，也能加热，因此使用一个TEC就可以代替分立的加热系统和制冷系统。而半导体制冷片的加热和制冷工作状态的转换只需要改变工作电流的方向，所以，本系统采用H桥电路[8]作为TEC器件的功率驱动电路，电路图如图3所示。由于功率MOS管是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需要，因此采用2个P沟道功率MOS管IRF9540和2个N沟道功率MOS管IRF540构成H桥电路的桥臂。由于单片机输出高电平仅有3.3 V，并且工作电流不大，通常不具有驱动能力。出于保护单片机和防止强电磁干扰或工频电压干扰，将场效应管栅极和微处理器的输出端口用光耦P521进行隔离。如图3所示，当单片机的P1.6引脚输出高电平，P1.7引脚输出低电平时，U10导通，U11截止；Q5和Q6导通，Q4和Q7截止，于是在半导体制冷片两端形成12 V电压差，制冷片开始加热(或制冷)。同理当P1.6输出低电平，P1.7输出高电平时，此时半导体制冷片电压翻转，原来加热(或制冷)的一面开始制冷(或加热)。

图3 TEC驱动电路图

3 系统软件设计

在本系统软件程序设计中，由主程序、中断服务程序和子程序3部分组成。由于系统使用的微处理器为TI公司的16位MSP430G2553单片机，所以选用IAR Embedded Workbench 5.5软件开发和调试，采用嵌入式C语言编程实现，温度控制核心程序基于增量式PID算法思想设计，有效地降低了调温过程的超调振荡，显著提高了调温精度。

3.1 软件总体设计

系统软件设计总体流程图如图4所示，基于中断控制方式设计实现。本系统采用主通道和次通道两路进行温度采集，每秒进行1次采样，2个通道轮流采样，每个通道的采样周期为2 s。主通道温度主要用于判断程序的走向。如果主通道温度高于目标温度，系统工作在冷却模式；相反，如果主通道温度低于目标温度，系统工作在加热模式。单片机将主通道A/D转换后得到的采样值换算为温度，并通过PID算法控制加热或制冷的速率，使恒温水箱中的水保持恒温。次通道的主要作用在于判定系统是否发生故障，并及时采用相应的措施以防出现更加严重的后果。

图4 系统软件设计总体流程图

本系统需要完成以下功能：对温度进行全自动控制，调节目标温度，当系统出错或出现故障时做出相应的处理，因此程序中涉及到的中断源包括：定时器触发、ADC10转换完成触发、外部端口中断触发。除上述所需完成的功能外，还需要进行数据处理，例如实时温度数据的数字滤波处理、由PID算法计算出占空比以实现对设定温度的逼近控制等。

3.2 数字PID算法

数字PID算法[9]是整个控温程序的核心，也是控温的基础。由于增量式PID算法相比于位置式的控制精度更高，所以本系统选用增量式PID算法，公式如下

Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

对算法中的重要参数KP,KI，KD的整定是影响控温效果的关键。 本系统采用工程整定方法确定PID的参数，常用的包括临界比例法、反应曲线法以及衰减法。采用前面的方法或者事先指定其中的某一参数，在调试过程中选择性地改变其他参数，根据实验结果来逐步确定另外几个参数。不管运用哪一种方法确定的控制器参数，最终还是要求在实际系统中实现最后调节和完善[10]。

4 测试分析

为验证恒温水箱系统性能，成功研制了恒温水循环系统样机并进行了实物测试。

由于Pt 100铂电阻器阻值随温度变化关系并不是一条直线，且受运算放大电路中晶体管的漂移等因素影响，所以对于检测到的电压值需要与精度为0.01 ℃的标准温度计进行校准并拟合，获得曲线关系。实验记录了主通道和次通道在30～55 ℃每隔1 ℃时单片机的10位ADC的采样值n，10位ADC的参考电压是2.5 V，计算得到实际电压值为

(2)

运用Matlab对两路通道数据实行二次线性拟合，如图5所示。可以看出，虽然两路温度采集电路模块参数设定完全相同，但次通道的电压值比对应的主通道电压值平均高0.31V左右，研究分析是恒流源电路中的参考电阻阻值的微小误差和在运算放大器电路中滑动变阻器阻值调整的不精确造成放大倍数的误差叠加导致的。但图中的结果反映出，两路温度各自的线性度都良好，因此只需使用不同的拟合模型就能分别计算出两路温度值。Matlab中由两路数据得到的拟合系数如下：

图5 Pt 100温度校准曲线图

主通道：a=0.086 6，b=5.911 5，c=232.776 5

次通道：a=-0.045 5，b=17.828 5，c=113.249 1

单片机的float类型占4个字节，计算很高精度的浮点型数据十分困难。观察可知主通道和次通道拟合曲线的二次项系数都远小于1，因此可近似作一次线性拟合处理。

为了测试系统的测温精度和分辨率，使用精度为0.01 ℃的标准温度计作为标准来标定，经过多次设置不同的目标温度，记录系统实验时水箱中水的实时显示温度，实时实际温度和TEC器件的实时加热或制冷状态。根据实际实验结果可知，系统显示温度和实际温度的差值的绝对值最大为0.03 ℃，即测温精度优于±0.05 ℃；并且当显示温度超过(或低于)设定目标温度0.01 ℃时，TEC器件立即会开始制冷(或加热)，即具有±0.01 ℃的分辨率。

PID控制的参数整定是影响控温效果好坏的关键，本系统采用工程整定方法确定PID的参数。设定目标温度为30 ℃，实行PID参数整定实验，记录了令I=0.2P，D=1.25P，在不同P参数下系统在设定温度附近最大显示温度Tmax和最小显示温度Tmin的数值，实验记录数据见表1。

表1 实验测试结果

从表1可以看出：当P=20，I=0.2P，D=1.25P时，控温精度为±0.17 ℃，温度趋近于设定温度的时间最短最快，并且超调振荡较低，因此选择这组数据作为本系统PID控制的系数。实验结果表明，系统测温精度和控温精度较高，调温过程的超调震荡较低，实用价值较高。

5 结 论

系统性能测试结果表明：该系统测温精度可以达到±0.05 ℃，具有±0.01 ℃的分辨率，控温精度±0.2 ℃，满足设计要求。Pt 100相比于DS18B20绝对精度更高、响应速度更快、稳定性更好；实际应用表明TEC控制系统性能稳定，操作简便，控制精度高，通用性强，可以满足科学研究、医疗保健及工业场合较高的精度要求，拥有广阔的应用前景。

[1] Zhao J L，Ping J，Xiao G L．Design of high precision temperature control system[J]．Electronic Measurement Technology，2007(2):146-148.

[2] 陈 菁，张小溪．基于单片机的小型恒温箱设计[J]．现代电子技术，2014,37(22):101-104.

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方 雄(1994- ),男，硕士研究生，研究方向为生物医学与嵌入式研发。

李凯扬(1963- ),男，通讯作者,教授，博士生导师，主要从事生物组织光学与医学影像研究工作，E-mail：lky@whu.edu.cn。

Design of precise temperature control system for constant temperature water tank based on Pt 100*

FANG Xiong, LIANG Cheng-wen, LI Kai-yang

(Department of Electronics Science and Technology,School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072，China)

Aiming at requirement of high precision temperature control of stationary temperature water tank,a novel intelligent control system of constant temperature water tank is designed and implemented.The system uses MSP430 MCU as control core,Pt 100 platinum resistance as temperature measurement devices,thermo-electric cooler(TEC)devices as refrigeration components.Combined with proportion-integration-differentiation(PID)algorithms and pulse-width modulation(PWM)control to achieve precise control for temperature of the target object.Temperature control system test range is set to 0～50 ℃,and performance test results of the prototype show that the system can realize temperature control requirements of precision prior to ±0.05 ℃,with a resolution of ±0.01 ℃ and a temperature control precision of ±0.2 ℃.Practical application show that this temperature control system has high reliability,high control precision,stable performance,easy operation,and high universality,so it has high practical value and application promotion value.

microcontroller; temperature sensor; numeric PID; stationary temperature water tank

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0100—04

2016—04—18

国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ160203)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0100—04