高精度恒温槽控制系统设计与实现

高精度恒温槽控制系统设计与实现

王志刚

(河南省裕鑫新能源科技有限公司河南新乡453000)

摘要：随着电子技术的飞速发展，采用电子传感器测量温度的方式也得到了飞速的发展。电子测温方式具有多种形式，根据应用环境的不同，各种形式的电子测温仪器被广泛的应用各个领域。目前，虽然国内的测温仪的产品种类繁多，但是绝大部分的测温产品是来满足普通的市场需求，在特殊的应用场合中几乎都是使用的外国企业生产的测温设备。因此，对于如何实现对温度的高精度测量具有很大现实意义。

关键词：高精度；恒温槽；控制系统；设计；实现

1恒温槽控制系统的结构设计

1.1系统总体结构

整个系统的硬件设计是由数据采集、显示、通信、输出控制四个模块组成。在数据采集模块中，本系统使用的是PT100测温电阻，让1mA的电流流过PT100测温电阻，通过采集PT100电阻两端的电压来计算所测量的环境温度。在本系统中专口设计了1mA恒流源电路，为了满足ADC的采集范围，将传感器的电压信号通过放大电路放大Ｗ后达到采集范围。由于本系统设计目标是两路测温和两路控温，通过设计模拟开关组合来实现两路通道的数据采集。该温控元件使用的是电子半导体制冷组件。采用帕尔贴式半导体制冷片，通过附加电源的正负极切换实现加热、制冷的实时切换。本系统采用的通信方式是串口通信，采用MODBUS协议，同时预留以太网通信接口，方便系统升级。

2.3数字逻辑区硬件设计

本系统采用STM32F103VET6处理器，采用外部无源晶振，频率为8MHz，外部复位全局电路，外接SSFLASH，JTAG接口，由这5个部分组成了STM32F103VET6处理器的最小系统。STM32F103VET6处理器采用Cortex-M3内核，内核的最高工作频率可以达到72MHz，片上拥有容量512KbyteFlash，64KbyteSRAM。拥有专口的功耗控制单元，这一点使得它在低功耗设备上应用具有很大的优势。在STM32F103VET6内部具有8MHz的晶振。由于内部晶振的不稳定，因此在系统设计时如果PCB板的空间没有严格的空间要求，一般情况下都会使用外部晶振的。本系统对稳定性具有严格的要求，因此采用外部晶振的方案。在外部的晶振接口有2个。一个是接高速晶振，这个接口也是本系统使用的，另外的一个晶振接口是外部低速接口，一般连接32.768KHz，这个外部晶振主要是供内部实时时钟使用。本系统设计的时候没有使用这一个外部接口，本系统使用的外部独立实时时钟芯片，这是由于在以前的项目中使用过这个芯片，为了节省项目周期考虑。参考STM32F103VET6数据手册中的时钟树。时钟树是整个STM32F103VET6内部的各个功能单元时钟供给情况。从中可以看出从AHB总线中引出两条总线APB1和APB2在外设总线APB1的时钟频率为36MHz，外设总线APB2的时钟频率为72MHZ。在这里注意一下时钟树中的自由时钟，它直接从AHB总线上引出。sistick定时器被软件设计者称之为系统＂滴答＂定时器，就像人体心脏一样，始终保持着一定的跳动节奏。它的作用是在操作系统工作时为操作系统提供定时中断，可以使操作系统在每一次的＂滴答＂时，进行一次任务轮询，执行优先级最高的任务。

2.4通信接口设计

在处理器内部的APB1和APB2总线上挂载着丰富的通信接口，其中有5个异步串口，使用这些接口可以很方便的与外部设备进行通信。在本系统的设计中使用了2个异步串口，通过外接1粒MAX3232电平转换芯片将信号转换成为标准串口电平。利用串口可以实现3块板子通信。可以利用上位机控制这种方案在另外一个项目中己经通过验证。采用USB接口与上位机进行通信。另外系统中设计有以太网接口，用来以后进行升级使用。在本系统中采用的以太网芯片是ENC28J60。这就是整个系统等通信接口硬件方案。

2.5控制接口的设计

本系统的设计目标是实现两路温度控制，通过加热/制冷双向控制，确保槽体内介质的温度达到稳定的效果。本系统采用的是半导体制冷组件。其主要器件为帕尔贴制冷片与换热用水冷板。该制冷片内部是PN热电偶结构，其原理为通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，通过电流方向的改变，可以更改吸热和放热的两个端面状态。这就要求设计一款PCB板。PCB板的功能是根据控制信号的不同，输出直流电源的正负极进行切换。例如：当输出1有信号时，电路板输出电源是A+（DC24V）、B-（0V）；当输出2有信号时，电路板输出电源是A-（0V）、B+（DC24V）。同时PCB板具有信号互锁功能，两个输入信号同时动作时，只能有一路输出。PCB板的其他功能包括过流保护功能、循环水泵电源供给、故障灯、信号灯。

2.6模拟电路区域电路功能

在实际的应用中如果增大输入阶跃信号的幅度，输出信号的阶跃响应的速率也会增大。当输入阶跃信号的幅度大于某个值时，输出信号的上升斜率会呈现一个常数，这个常数称为转换速率。如果输入信号的变化的频率过快，在运放的输出端出现波形的失真，例如在在输入端输入频率过高的正弦波，在输出端监测到的信号可能会成为H角波，这是因为运放的转换速率的限制而引起的。在运放的应用中，负反馈的引入可以改善多种性能。其中包括抑制制造和环境引起的增益不稳定，减小由于器件由于非线性产生的失真，扩展电路的工作带宽，阻抗的变换。将负反馈引入高增益的运算放大器上，负反馈的引入的优点是令人吃惊的。在引入负反馈的过程中，反馈电路需要认真地设计，如果设计不当可能电路会工作在振荡状态。

2高精度恒温槽控制系统升级

在升级的过程中，依然采用这一版所采用的思想，依然是采用1mA的恒流源电流流过PT100。因为是小信号所以依然采用了10倍的放大电路。在升级的设计过程中采用的ADC依旧是ADS1210。因为这一款24位ADC的采集精度可以达到微伏级别。所以没有必要再更换新的ADC，但是升级后使用这样2粒ADC目的采集的过程中实现标准电阻和PT100同歩采集，这样可以进一步减小由于不同时采集带来的误差。在系统升级的过程中相比较这一版改动的地方比较大。首先在升级版本中采用的恒流源电路设计电路思想没有改变，只是选择了性能更好的运算放大器，这是在调试的过程中发现的，由于这一版运算放大器的VOS比较大，导致产生的1mA电流出现一些微小的偏移。在新的版本选择使用ADI公司的高输入阻抗，零漂移运算放大器。并且将恒流源中的两个820欧姆换成精度更高的WISH电阻。这样获得的1mA恒流源会更加精确。

结束语

在恒温自动控制系统的设计中,运用单片机进行数字PID运算,能充分发挥软件系统的灵活性,在必要时对PID算法进行修正使其更加完善。专门设计的运用数字电位器，对控制接口电路中各零部原件进一步提升，加强功率效用，并积极引进直流型固态继电器，进一步提高系统性能，使得整个系统电路结构简单,调试方便,实际应用中达到了理想的控制精度。

参考文献:

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