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1,、 傳感器選擇? 常用的溫度檢測元件主要有熱電偶,、熱電阻、熱敏電阻等,。熱電偶主要是利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng),，產(chǎn)生接觸電勢隨溫度變化而變化，從而達(dá)到測溫的目的,。測量準(zhǔn)確,，價格適中測溫范圍寬，線性度較好,。但其輸出電壓受冷端溫度影響,，需要進(jìn)行冷端溫度補償，使電路變得復(fù)雜,，在本題中并非最佳方案,。? 熱敏電阻由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成，靈敏度高,、熱惰性小,、壽命長、價格便宜,。但其測量的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性差,，測量精度無法滿足本題發(fā)揮部分0.2℃的要求。而且線性度差,，需要進(jìn)行查表線性擬合,，大大浪費控制器的資源，因此不能選用,。? 熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性,，將溫度量轉(zhuǎn)化成電阻量。其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高,，穩(wěn)定性高,，性能可靠,，熱慣性小、復(fù)現(xiàn)性好,，價格適中,。但電阻值與溫度是非線性關(guān)系，Pt100熱電阻,，當(dāng)0℃<t<850℃時可用下式表示：? 其中A=3.9083╳10-3 /℃,；B=-5.775╳10-7 /℃；由此可見,，溫度越高非線性誤差越大,，本題目要求溫控范圍是40℃~90℃，溫度較低,。經(jīng)計算當(dāng)溫度為90℃時,，非線性誤差為0.34%，運用最小二乘法適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行零點和增益的調(diào)整,，還可使此誤差降低一倍,，而本題要求精度為，0.2/90=0.22%,，因此在本題中可以選用Pt100熱電阻，并可近似將其電阻值與溫度看作線性關(guān)系,。? 2,、 放大電路? 熱電阻所測得的是電阻量，需要轉(zhuǎn)化為電壓量才能被控制器采集,。最基本的電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路是將其與另一固定電阻串聯(lián),，但這種方法，當(dāng)溫度為量程下限時輸出不為零,，這樣不利于小信號的放大和提高A/D轉(zhuǎn)換的精度,。因此，本作品采用橋路測量,，電路如圖2所示：? 其中R1R2為10kΩ固定電阻,，Rt為熱電阻，Rw2為調(diào)零電阻,，由于 ,，因此上下兩支路電流相等，并保持恒定不變,，輸出電壓 ,，可調(diào)整Rt0=Rw2，使得? 由于在橋路中R1很大,，使得輸出量uo變化很小,，當(dāng)Rt從0到100℃變化時,，輸出僅有十幾毫伏，因此還需要進(jìn)行小信號放大,。本作品所用低頻增益可調(diào)放大電路如圖3：? 其中Rw1為增益電阻,，用于調(diào)整測量滿量程，運放采用低噪聲NE5532,，令R1=R2,R3=R4,R5=R6,，則該放大電路總增益為 ，當(dāng)Rw1從0到50kΩ變化時,，Av的變化范圍為150至+∞,，滿足所需增益要求。? 3,、 A/D轉(zhuǎn)換? 題目所要求測量度精度為0.2℃,，測溫的范圍應(yīng)該為室溫到要求的最高溫度，即20~90℃,，這就決定了A/D轉(zhuǎn)換的最低分辨率不低于0.2/（90-20）=1/350,，而普通八位A/D轉(zhuǎn)換芯片只能達(dá)到1/256，不能滿足要求,。而如果選用更高位的芯片,，將大大增加成本。溫度是一種變化時間常數(shù)較大的物理量,，對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高,，因此，在設(shè)計中選用了壓控振蕩器,，先將電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率量,，再通過控制器的計數(shù)功能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這樣可以大大提高精度,，節(jié)約成本,。? 壓控振蕩器如圖4所示：? 電容器C1充電周期為 ，放電周期為 ,，由于 所以 ,，所以其振蕩頻率可近似看作與輸入電壓Ui成正比。但當(dāng)頻率較高時,，仍有較大（約為5%）非線性誤差,，不能滿足題目要求。因此,，在作品中利用FPGA的優(yōu)點,，該測頻率為測正脈沖寬度，再通過單片機求倒數(shù)，這樣即可完全消除非線性誤差,。? 4,、 控制器? 對水溫的反饋偏差控制，就必然用到經(jīng)典控制理論中的PID（Proportional Integral and Derivative比例積分微分）控制,，控制器可有多種選擇,，如模擬電路、單片機,、邏輯器件等,。? 模擬電路控制可對偏差變化進(jìn)行連續(xù)的控制，技術(shù)成熟,，性能較穩(wěn)定,。但其缺點是不便于顯示，調(diào)整PID參數(shù)需更換元器件,，易受到外界干擾等,，在現(xiàn)在這個數(shù)字化高度發(fā)展的時代已趨于淘汰。? 單片機作為微型計算機的一個分支,，已有二十多年的發(fā)展,，在各控制領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而近年以FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）為代表的可編程邏輯器件異軍突起,，其優(yōu)異的性能大大彌補了單片機響應(yīng)速度慢,、中斷源少的缺點。但FPGA的運算能力有限,，因此,，在我們的設(shè)計中采用FPGA與單片機相結(jié)合的控制方式，二者優(yōu)勢互補,，性能大大提高。? 在本作品中,，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)接收壓控振蕩器的信號,，通過測量其正脈寬而獲得電壓量；單片機接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù),，進(jìn)行顯示,、PID運算，和輸出,。? 5,、 輸出驅(qū)動電路? 控制器將其PID運算的結(jié)果轉(zhuǎn)化為不同占空比的脈沖信號輸出，該信號作用于執(zhí)行機構(gòu)還需要經(jīng)過驅(qū)動電路,。? 本作品中采用交流調(diào)功電路,，即將負(fù)載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變開通與斷開周波的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率,。具體實現(xiàn)電路如圖5,。? 將220V/50Hz的市電，經(jīng)電阻分壓到5V以下,，輸入運放的同相輸入端,，運放作為過零比較器，當(dāng)市電過零時,，產(chǎn)生跳變,，運放輸出送到D觸發(fā)器的時鐘端，D觸發(fā)器的輸入接單片機輸出的脈沖信號,，輸出接雙向晶閘管的門極,。這樣，只有當(dāng)交流電過零時,，單片機的輸出信號才對晶閘管產(chǎn)生作用,，也就是說，只有當(dāng)交流電過零時,，晶閘管才能開通或關(guān)斷,。這樣可以大大減小開通關(guān)斷過程中對晶閘管的沖擊，減少開通關(guān)斷損耗,。? 二,、 控制器軟件設(shè)計? 1、 FPGA程序設(shè)計? 在本作品中,，F(xiàn)PGA的主要功能是測量壓控振蕩器輸出高脈寬的時間,。由于壓控振蕩器的頻率較低（<10kHz）,因此在測量中采用的方法是，提取一個高脈寬,，在這個高脈寬內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（50MHz）計數(shù),，計數(shù)的值即與脈寬成正比。? 2,、 單片機程序設(shè)計? 單片機在本作品中起主要的作用,，其功能主要是接收FPGA的數(shù)據(jù)、運算,、顯示和輸出控制脈沖,。以上幾部分在一個周期內(nèi)順序執(zhí)行，如圖6所示,，一個周期的時間約為0.1秒,，即為一個采樣周期。對于水溫這一時間常數(shù)較大的系統(tǒng),，0.1秒的采樣周期足夠,。? 由于精度的要求，F(xiàn)PGA發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)較高，需要多次傳送,，每次傳8位,，共傳8次，放入緩沖區(qū)中,。然后根據(jù)脈寬——電壓——溫度三者的對應(yīng)關(guān)系,，計算出當(dāng)前溫度。盡管測量的非線性誤差很小,，但仍會對精度產(chǎn)生一定影響,，因此在實驗中，取若干脈寬與溫度對應(yīng)實驗數(shù)據(jù),，利用最小二乘法進(jìn)行一元線性回歸,，如圖7所示，將原來a直線,，變?yōu)閎直線,，這樣可以在很大程度上減小非線性誤差。? 顯示部分,，采用7位七段LED數(shù)碼管顯示,，可以顯示給定值和當(dāng)前實際值，因考慮人眼的視覺暫留的影響,，數(shù)碼管每5個采樣周期,，即0.5秒刷新一次。? 本作品的PID運算采用了當(dāng)前計算機控制常用的增量PID算法,。具體做法如下：? 采樣PID控制的基本公式為 ,，其中Kp未必例系數(shù)，Ti為積分時間,，Td為微分時間,，T為采樣時間。因計算中需要累加求和,，不便于單片機的計算,。因此算其增量式 ，其中 ,。軟件進(jìn)行PID運算后判斷如果Δu>0,則輸出脈沖的占空比增加1%,，反之減小1%? 為了確定PID參數(shù),，根據(jù)容器加熱,、傳熱的公式，列出加熱容器的微分方程,，經(jīng)拉氏變換后得到一個一階滯后環(huán)節(jié),，其傳遞函數(shù)約為 ，對整個控制回路用Matlab中的Simulink工具箱進(jìn)行方針，其框圖如圖8? 圖中step為輸入階躍給定信號,，step1為干擾量,，A中存儲輸出占空比，scope顯示輸出波形（圖9a）,，scope1顯示占空比值（圖9b）,。?圖9a??圖9b? 當(dāng)t=10時刻，給定值輸入階躍量,，t=100時刻,，輸入干擾階躍量。由此可見,，本系統(tǒng)可以以較小的超調(diào)和較短的調(diào)節(jié)時間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),，并對于干擾有較好的控制作用。 |
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