摘 要： 一種采用NTC熱敏電阻作為溫控設(shè)備的傳感器，89C2051為CPU的溫度測控系統(tǒng)，它線路簡單并具有一定參數(shù)自學(xué)習(xí)能力。
關(guān)鍵詞： 溫度控制 單片機 NTC 自學(xué)習(xí) 自適應(yīng)
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及辦公設(shè)備自動化領(lǐng)域中，溫度是一種十分重要的數(shù)據(jù)。對于溫度的采集，常用的傳感器有熱電偶、鉑電阻、NTC熱敏電阻等。針對不同的傳感器，可以采用不同的測溫技術(shù)。目前，我國在這方面的成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，這些算法要求針對具體應(yīng)用的參數(shù)值的整定，在一些精度要求不高、價廉的控制器設(shè)計中，無疑會增加開發(fā)周期和開發(fā)成本。本文介紹一種自學(xué)習(xí)的溫控算法，以對此類問題的解決提供參考。
1 問題的提出
傳感器中NTC熱敏電阻因其價格低廉、精度較高、可靠性好而廣泛使用。以下就以NTC熱敏電阻作為溫控設(shè)備的傳感器，分析閉環(huán)控制中可能遇到的問題。溫控設(shè)備設(shè)計框圖如圖1所示。
由于NTC電阻的測溫遲滯性(目前國產(chǎn)的NTC電測溫時延為幾秒到十幾秒)以及電阻受材料的穩(wěn)定性和一致性的影響，圖1中傳感器部分的阻值精度有±5%的誤差，這使參數(shù)的整定受限于每個具體的設(shè)備。除了傳感器的遲滯特性外，還必須考慮加熱器的慣性即加熱器在斷電之后在一定時間內(nèi)仍有加熱作用的特性以及被加熱物體的熱遲滯性和外部環(huán)境的氣溫影響，因此使參數(shù)整定更為困難。但是在溫控器的具體應(yīng)用中，大部分時間是在某一個具體的場合，環(huán)境條件的變化是相對穩(wěn)定的。一個加熱設(shè)備通常長期運行在某個要求的目標(biāo)溫度，目標(biāo)溫度的變化并不頻繁。因此為了一次設(shè)計能夠用于多個場合，就要求控制器有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的功能，即在每次運行的初期，自已調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，使之有效地應(yīng)用在不同的場合。
PID算法是閉環(huán)控制中常用的算法，也是通常采用的溫度控制算法。但在價廉的溫控器中，多采用小型的CPU，其程序存儲單元非常有限，而PID 算法要占用相對大的空間和計算時間，故是設(shè)計的難點所在。
2 自學(xué)習(xí)的溫度測控系統(tǒng)
針對上述問題，本文提出了一種自學(xué)習(xí)的控制算法。該系統(tǒng)硬件采用NTC電阻線性校正電路和積分采樣電路作測量電路，軟件設(shè)計采用一種自學(xué)習(xí)的算法，使系統(tǒng)有一定自適應(yīng)能力，無須事先做參數(shù)調(diào)整。該算法就是不斷在測量過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超過某個不利的限定值時就對參數(shù)作出相應(yīng)調(diào)整，如此不斷試探，最后達到穩(wěn)定。而后將調(diào)整學(xué)習(xí)后得出的參數(shù)值保存起來作為這個目標(biāo)溫度的相應(yīng)參數(shù)值，在下次開機時如果要求同樣的目標(biāo)溫度就可以直接調(diào)出相應(yīng)參數(shù)。如果環(huán)境溫度較穩(wěn)定，機器可以自已設(shè)定經(jīng)驗值，但如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，必須再學(xué)習(xí)，以適應(yīng)新的環(huán)境。
2.1 測溫電路
NTC傳感器測溫電路，其CPU采用89C2051單片機，輸出采用脈寬調(diào)制(PWM)方式輸出。在對精度要求不高的系統(tǒng)中，多采用NTC熱敏電阻作為溫度傳感器，電路利用AT89C2051單片機內(nèi)部精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），實現(xiàn)低價模數(shù)轉(zhuǎn)換。該電路實際上是一個具有電壓門坎的積分比較器，它將輸入的模擬量（電壓）轉(zhuǎn)換成中間量（時間間隔），然后將中間量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。其溫度檢測與轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。
2.2 NTC電阻的線性補償
普通的NTC電阻的阻-溫特性呈指數(shù)變化，即電阻隨著溫度的上升而呈指數(shù)下降。因其非線性，給系統(tǒng)溫度控制帶來不便。在本溫控系統(tǒng)中采用了電路補償法，將熱敏電阻與一般電阻并聯(lián)，以改善其在某一溫度范圍內(nèi)的阻-溫特性的線性度。在圖2所示的電路中，RT和R4并聯(lián)后，可以得出：
由上式可以看出，在低溫時，原來的ΔR/ΔT很大，則RT也很大。并上R4后可以看出ΔR變小，因而ΔR/ΔT也減?。欢诟邷貢r，原ΔR/ΔT很小，但因高溫時RT很小（遠小于R4），所以RT基本不變。電路補償前后R與T的關(guān)系如圖3所示，從圖中可以看出，NTC電阻的非線性明顯改善。
2.3 測量工作原理
單片機AT89C2051的P1.0和P1.1是內(nèi)部精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1）端。P1.1端連接基準(zhǔn)電壓，P1.0端連接溫度傳感器。熱敏電阻RT的變化可引起C1的充電電流變化，故可利用比較器判斷基準(zhǔn)電壓與電容C1上的電壓是否相等。當(dāng)2個電壓相等時，比較器輸出P3.6會有跳變，單片機AT89C2051則記錄從C1電容充電開始到P3.6跳變的時間。因為R1、R2的值固定，所以積分到基準(zhǔn)電壓VS＝VCC*R2/（R1+R2）時，比較器輸出高電平。根據(jù)電容充電的瞬時方程VC＝VCC*（1-exp(-T/RC)）=VS，即可求出傳感器的電阻RT，然后查表即可得出溫度值。由于直接用計算指數(shù)函數(shù)的方法求解比較困難，且實時計算測量溫度的計算量較大，計算精度較低，因此本系統(tǒng)采用查表的方法，即預(yù)先將時間長度T所對應(yīng)的溫度值計算出來，存入映射表。
2.4 自學(xué)習(xí)的溫度控制算法
本溫控系統(tǒng)中的傳感器電路測得的溫度經(jīng)數(shù)字濾波并與系統(tǒng)溫度設(shè)定值進行比較后，通過PWM參數(shù)的設(shè)定，去控制加熱繼電器的導(dǎo)通時間，從而可以控制加熱板的平均輸入功率，達到恒溫的控制。
對于本控制系統(tǒng)來說，當(dāng)溫度未達到設(shè)定值時，為自由升溫段，要求升溫越快越好，所以要全量輸出。當(dāng)溫度達到設(shè)定值時，停止輸出,但由于加熱板的熱慣性，溫度并不因輸出停止而停止上升，溫度會超過給定值；同理，溫度在上升到一定高度后才開始下降，并繼續(xù)下降到略小于設(shè)定值時，系統(tǒng)才重新輸出。由于溫度的滯后特性，造成了溫度在設(shè)置溫度的一定范圍內(nèi)上下振蕩，使溫度基本保持在恒溫狀態(tài)。
系統(tǒng)使用PWM技術(shù)實現(xiàn)對溫度的控制，使用TPWM_A、TPWM_S參數(shù)來改變占空比，從而控制繼電器導(dǎo)通時間，達到控制溫度的目的。PWM控制即是通過對變量TPWM_A的調(diào)整來調(diào)整輸出加熱器通斷時間的比。假設(shè)TPWM_A為8位(為1100 0000)，每0.5秒輸出TPWM_A.7的電平，則在4秒內(nèi)有1秒輸出高電平，進行加熱，其余時間則關(guān)斷。這樣通過調(diào)整其中為1的個數(shù)就可以調(diào)整加熱功率。
該算法中設(shè)TPWM_S為記錄占空比變化的變量，而TPWM_A為通過循環(huán)移位輸出控制脈沖的執(zhí)行變量，則控制過程如下：剛開始加熱時，TPWM_A參數(shù)為#0FFH，則繼電器導(dǎo)通，全速加熱。溫度升至設(shè)置溫度TEMP_SET時，將TPWM_A參數(shù)置為0，關(guān)斷繼電器，但因熱慣性，溫度將繼續(xù)上升至一定溫度后才下降，在溫度上升過程中系統(tǒng)記錄上升到的最高溫度TMAX。當(dāng)溫度下降到設(shè)置溫度TEMP_SET時，TPWM_A參數(shù)置為#08H，降低了加熱速度，同時由于熱慣性，溫度將繼續(xù)下降，在溫度下降過程中系統(tǒng)記錄下降到的最低溫度TMIN。如果TMAX超過溫度的上限值，則對TPWM_S參數(shù)進行補0，降低占空比，減少繼電器的導(dǎo)通時間；如果TMIN超出溫度的下限，則TPWM_S參數(shù)進行補1，提高占空比。因為加熱速率的降低，振蕩周期中上限TMAX與下限TMIN越來越接近設(shè)置溫度TEMP_SET，從而達到恒溫。溫度控制曲線如圖4所示。在t1階段，繼電器均關(guān)斷，在t2階段系統(tǒng)則根據(jù)TPWM_A參數(shù)進行脈寬調(diào)制。其中W1和W2分別為加熱溫度的上限和下限。
設(shè)計中，采用二部分程序?qū)崿F(xiàn)以上功能。
(1) T0中斷服務(wù)子程序，進行0.5秒中斷控制輸出。它判斷溫度是否超過設(shè)置溫度，即如果超過設(shè)置溫度，則關(guān)斷繼電器輸出；如果低于設(shè)置溫度，則根據(jù)TPWM_A參數(shù)左移后的高位值，若為1則加熱，即驅(qū)動繼電器工作；若為0則關(guān)斷繼電器。溫度控制子程序流程如圖5所示，其中恢復(fù)TPWM_A是指記錄占空比的TPWM_S的值賦給執(zhí)行變量TPWM_A。PWM控制的過程只在溫度傳感器所測溫度低于設(shè)定溫度時進行，而加熱到設(shè)定溫度時則完全切斷加熱器。由于NTC電阻的遲滯特性，在切斷加熱器時，實際溫度已高于測量溫度。測量值依舊會上升，所以完全切斷后待其冷卻的過程中會有上峰值TMAX產(chǎn)生，當(dāng)其下跌至設(shè)定溫度時才開始PWM控制過程。同樣由于NTC電阻的遲滯特性，測量的溫度低于實際溫度，加熱過程中會有一個波谷值TMIN產(chǎn)生。適當(dāng)?shù)拿}寬比會使加熱溫度上升的速率得以降低，在目標(biāo)溫度的上下限之間振蕩的頻率和幅度也會變小，從而達到控制的目的。
(2) 自適應(yīng)控制則是通過上次測量的TMAX及TMIN對TPWM_S占空比進行調(diào)整，以達到恒溫。該過程應(yīng)在溫度測量后進行，其程序流程如圖6所示。
調(diào)整過程需要較長時間，但在控制溫度變化較少、長期恒溫控制的場合，自適應(yīng)過程所用時間是允許的。為了克服每次開機都需要進行的自適應(yīng)時間，可以將每次學(xué)習(xí)得到的脈寬與設(shè)定溫度的對應(yīng)關(guān)系記錄下來，只要學(xué)習(xí)一次，以后開機加熱直接調(diào)出參數(shù)即可。而當(dāng)環(huán)境或加熱條件變化時，可能參數(shù)不再符合實際情況，這時上述程序會再次自學(xué)習(xí)，以產(chǎn)生新的參數(shù)。
3 總 結(jié)
本文介紹的自學(xué)習(xí)的溫控系統(tǒng)對內(nèi)存空間大小的要求較小，但只適用于溫度較少調(diào)整的場合，如恒溫烘干箱。但因其算法簡單，有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的功能，所以無需對運行參數(shù)進行現(xiàn)場的整定，故可簡化溫控設(shè)備的設(shè)計。
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