基于鉑電阻和硬件閉環(huán)控制的食品干燥設備恒溫控制系統(tǒng)

舒 望 陳光偉

(1. 湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南 株洲 412001；2. 湖南工業(yè)大學，湖南 株洲 412001)

干燥設備被廣泛地應用于食品加工過程。干燥設備的核心部件在于恒溫控制系統(tǒng)，常見的控制系統(tǒng)多由溫度感應、加熱執(zhí)行、溫度設定、調(diào)整控制等部分組成。王萌[1]提出一種基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡，采用DS18B20傳感器的恒溫控制系統(tǒng)。武新等[2]設計了一種基于熱電偶為感溫元件的恒溫控制系統(tǒng)，其恒溫控制精度為±0.7 ℃，恒溫響應時間為360 s。王銀玲等[3]設計了一種以ATmega8 單片機為核心、數(shù)字溫度傳感器DS18B20為傳感器的恒溫控制系統(tǒng)，通過溫度比較的方式實現(xiàn)恒溫控制。蔡有杰等[4]提出了一種采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器均勻布點、AT89C52為控制器的恒溫監(jiān)測和控制系統(tǒng)。上述采用DS18B20溫度傳感器為溫度反饋環(huán)節(jié)，由于傳感器本身的精度都只能達到±0.5 ℃，導致整個恒溫控制系統(tǒng)的精度不高。另外，采用單片機作為恒溫控制器，只是用簡單的溫度比較和PID算法，受限于控制器的運行速度，整個恒溫控制系統(tǒng)的響應速度不快。

研究擬提出一種基于鉑電阻和硬件閉環(huán)控制電路實現(xiàn)的恒溫控制系統(tǒng)，通過電壓比較器的輸出控制可控硅的導通角，對加熱器的功率進行調(diào)整實現(xiàn)恒溫控制功能，以期解決現(xiàn)有恒溫控制系統(tǒng)存在的精度和響應速度問題。

1 恒溫控制系統(tǒng)基本結構及基本原理

以熱分干燥設備為研究對象，其恒溫控制部分結構示意圖如圖1所示，在恒溫箱內(nèi)部設置有加熱器、溫度和濕度傳感器，加熱器在恒溫控制系統(tǒng)的控制下功率可變，從而實現(xiàn)不同的加熱量。溫濕度傳感器用于感應內(nèi)部的溫度和濕度，將其作為反饋信號送給恒溫控制系統(tǒng)。

圖1 食品干燥設備恒溫控制部分結構示意圖

食品干燥設備恒溫控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由微控制模塊和恒溫控制模塊組成。

圖2 控制系統(tǒng)結構框圖

微控制模塊以AVR系列單片機為核心，通過旋轉(zhuǎn)編碼開關進行溫度的調(diào)整和鼓風機開關的控制；溫濕度傳感器采用DHT22，用以采集干燥設備的溫濕度送入單片機；液晶顯示器實現(xiàn)實時溫度、濕度、鼓風機狀態(tài)以及設置溫度的數(shù)字化顯示；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)將溫度設置值轉(zhuǎn)換成模擬電壓去控制恒溫控制模塊。

恒溫控制模塊通過溫度設置電壓校正電路將微控制模塊輸出的溫度設置電壓進行校正后，作為控制輸入信號給到調(diào)整控制電路。由安裝在干燥設備內(nèi)部的鉑電阻PT1000構成的溫度反饋電路將設備內(nèi)的實時溫度轉(zhuǎn)換成模擬電壓，由于鉑電阻在溫度為0 ℃時阻值為1 000 Ω，通過溫度反饋電路的恒流源激勵后會輸出1 V的直流電壓，為了使溫度與電壓值直接對應以便于控制，去除零點電壓，將溫度0～100 ℃對應輸出電壓為0～1 V[5-7]。

電路中溫度零點電壓設置電路的作用是產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)的零點參考電壓與鉑電阻反饋的電壓，通過比較調(diào)零電路進行減法運算后，產(chǎn)生一個溫度與電壓值直接相關的溫度信號電壓提供給調(diào)整控制電路。調(diào)整控制電路將去零點后的傳感器信號電壓與校正后的溫度設置電壓進行比較并產(chǎn)生一個可變的控制電壓控制可控硅的導通角，達到改變加熱器的工作電壓的目的，從而實現(xiàn)了恒溫控制[6]。

2 恒溫控制系統(tǒng)設計

2.1 微控制模塊電路設計

微控制模塊電路如圖3所示，單片機選用性能穩(wěn)定的工業(yè)用AVR單片機ATmega16，12 864字符液晶顯示器構成顯示電路，旋轉(zhuǎn)編碼開關構成的電路實現(xiàn)溫度設置的調(diào)整、鼓風機開關控制，鼓風機的控制通過繼電器實現(xiàn)。

圖3 微控制模塊電路

溫濕度傳感器采用濕度分辨率為0.1% RH，溫度為0.1 ℃的DHT22單總線數(shù)字傳感器，具有電路結構簡單、精度高的特點。

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有功耗低、轉(zhuǎn)換速率快等特點，完全可以滿足設計要求。其電源供電由精密穩(wěn)壓器TL431組成的穩(wěn)壓電路提供，該電路可實現(xiàn)穩(wěn)定的5 V供電。

2.2 微控制模塊軟件設計

微控制模塊的軟件設計中字符液晶的顯示控制、旋轉(zhuǎn)編碼開關的檢測、繼電器的控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換控制等都比較簡單，單片機的主控制流程如圖4所示。在進行DA轉(zhuǎn)換控制時，為了配合后續(xù)溫度設置電壓校正電路，要求其輸出模擬電壓為0.0～2.4 V，即給到DAC7512的最大數(shù)字值應為0x07AE[ 2.4 V/(5 V/212)]，但DA受限于電路結構其輸出電壓會有偏差，可以通過后續(xù)電路進行校正。

圖4 單片機控制主流程圖

2.3 恒溫控制模塊電路設計

2.3.1 比較調(diào)零相關電路設計 恒溫控制模塊中的溫度反饋、零點電壓設置、比較調(diào)零等電路如圖5所示，溫度反饋電路由精密穩(wěn)壓電源TL431組成恒流源，恒流源的電流設定在1 mA。電流流過鉑電阻PT1000后，在其兩端產(chǎn)生一個與溫度呈比例變化的電壓。根據(jù)PT1000的溫度特性可知，溫度為1 ℃時阻值為1 003.908 Ω，則經(jīng)過恒流源激勵后的輸出電壓為1.003 V[8-9]。

如圖5所示，溫度零點電壓設置電路由精密穩(wěn)壓電源TL431組成可調(diào)穩(wěn)壓電源，因PT1000在0 ℃時的阻值為1 000 Ω，經(jīng)恒流源激勵后輸出1 V的電壓，要使得輸出電壓與溫度值形成0～120 ℃對應0.0～1.2 V的比例對應關系，需要減去0 ℃時的電壓，所以該電路的輸出應調(diào)整至1 V，即電容C10兩端的電壓為1 V。

圖5 溫度反饋及比較調(diào)零相關電路

比較調(diào)零電路由兩個集成運放組成，U8A構成減法器，該減法器的輸出電壓與輸入的關系如式(1)所示。

(1)

式(1)中各電阻都取相等值10 kΩ，所以該電路的輸出與輸入之間的關系變?yōu)閁o1=Usig-Uzero。

溫度為0 ℃時PT1000的輸出電壓為1 V，零點電壓設置為1 V，經(jīng)減法器運算后輸出Uo1=0 V,但溫度為1 ℃時，減法器的輸出Uo1=Usig-Uzero=1.003 V-1.000 V=0.003 V，根據(jù)上述設計，1 ℃的輸出電壓應為0.01 V，因此在減法器后級還需要設計一個比例運算電路將輸出電壓放大約3.3倍。

圖5中U8B構成同相比例運算電路，通過調(diào)節(jié)反饋回路的電位器可使得輸出電壓固定在0.01 V，由于PT1000的溫度特性幾乎為線性，因此該電路可實現(xiàn)溫度為0～120 ℃，對應輸出電壓為0.0～1.2 V。

2.3.2 調(diào)整控制相關電路設計 恒溫控制模塊中的溫度設置電壓校正、調(diào)整控制電路如圖6所示，微控制模塊中DA的輸出電壓在0.0～3.2 V，但鉑電阻PT1000反饋的溫度信號電壓為0～1 V，因此需要對溫度設置電壓進行校正。將溫度設置為0 ℃，如設置電壓Vset不為0時，可調(diào)節(jié)反相端電位器RW3。電路調(diào)試時，先設置溫度為最大值120 ℃，此時DA輸出應為3.2 V左右，調(diào)節(jié)RW4使T4測試點約為1.2 V，使比較器輸出Vset和DA輸出的比例約為0.5。通過該校正電路后設置電壓可實現(xiàn)0.0～1.2 V調(diào)節(jié)，對應溫度0～120 ℃。

圖6 調(diào)整控制及溫度設置電路

調(diào)整控制單元電路由集成運放構成電壓比較器，將比較調(diào)零電路輸出的干燥設備內(nèi)實際溫度電壓值與用戶溫度設置電壓進行比較并放大后用來控制光耦的導通強度，當設置電壓大于傳感器感應電壓時，即設置溫度大于實際溫度，比較器輸出正電壓光耦的紅外管發(fā)光，可控硅導通，所接的外部加熱器工作，溫度上升。當設置電壓小于傳感器感應電壓時，即設置溫度低于實際溫度，比較器輸出負電壓光耦的紅外管截止，可控硅也截止，所接的外部加熱器停止工作。

3 恒溫控制曲線的線性擬合及試驗分析

3.1 恒流源及比較調(diào)零電路的調(diào)整

該部分電路調(diào)試時，在鉑電阻PT1000的回路中串入電流表，調(diào)節(jié)Rw5使電流固定在1 mA。調(diào)節(jié)零點電壓設置電路的Rw1，使輸出電壓為1 V。斷開鉑電阻PT1000的電壓輸出，為比較調(diào)零電路的反相端接入輸出電壓為1.078 V(鉑電阻20 ℃時的輸出電壓)的穩(wěn)壓源，調(diào)整Rw2使電路輸出電壓為0.2 V。

3.2 調(diào)整控制電路的調(diào)整

連接外接的加熱器，將溫度設置為20 ℃，使用溫度計測量鉑電阻處的溫度，正常情況下應為20 ℃。但在整個恒溫控制過程中，加熱器的響應、鉑電阻的安裝位置、集成運算放大器的參數(shù)等，都會導致恒溫控制電路中設定溫度與恒定控制溫度存在一定的偏差。這時可以通過反復調(diào)節(jié)比較調(diào)零電路的Rw1和Rw2，使恒溫控制電路趨近于理想值。在調(diào)整前設定溫度和恒定溫度之間的對比關系如表1所示。

由表1可知，恒溫控制電路的誤差率隨著溫度的升高在逐漸減小，符合圖7中直線c的特性關系。在調(diào)試過程中為了達到最佳的效果，可根據(jù)下述方法進行調(diào)試。

表1 調(diào)整前設定溫度和恒定溫度對比?

如圖7所示，直線a為理想條件下當設定溫度與實際測量溫度相等，溫度值呈現(xiàn)為一條斜率為1、過零點的直線。但實際情況是一條斜率為k，常數(shù)項為Δt(可正、可負)的直線，如圖7中的直線c所示。這種情況下可采用下述方法進行調(diào)試。

圖7 設定與測量溫度對應圖

(1) 先將電路溫度設定在t1(40 ℃)，待溫度恒定后，得到一個實際測量溫度值T1。

(2) 再將電路溫度設定在t2(80 ℃)，待溫度恒定后，得到一個實際測量溫度值T2。

(3) 將上述兩個溫度值代入直線c的方程，得到一組二元一次方程，如式(2)所示。

(2)

(4) 通過求解上述方程可以得出該直線的斜率k和Δt。

(5) 電路調(diào)試時，調(diào)節(jié)比較調(diào)零電路中的Rw1，使測量溫度為T2-Δt的值。這時溫度的直線方程就變成直線b的方程T=kt。

(6) 再調(diào)節(jié)比較調(diào)零電路中的Rw2，改變比例運算放大電路的放大倍數(shù)，從而改變直線b的斜率，使直線a和直線b重合，調(diào)整后的恒定溫度與設定溫度之間的對比如表2所示。

3.3 試驗分析

為驗證恒溫控制系統(tǒng)的恒溫特性和響應速度，文中開展了相關試驗研究。文章選擇某電加熱型干燥設備，外形尺寸為80 cm×80 cm×100 cm，在環(huán)境溫度為21.6 ℃時開展恒溫試驗，溫度設定范圍40～100 ℃，每10 ℃取一個測試點，測得的實際溫度和設定溫度對應關系如表2所示。

由表2可知，系統(tǒng)的恒溫溫度偏差在±0.1 ℃以內(nèi)，平均偏差為0.057 ℃，平均誤差率為0.094%，恒溫精度非常高。去除表2中40 ℃的恒溫耗時，恒溫控制系統(tǒng)每增加10 ℃平均耗時為4 min 56 s，隨著設定溫度的升高恒溫的時間會顯著增加。

表2 設定溫度和恒定溫度對比

4 結語

食品干燥機是食品加工過程中非常重要的設備，傳統(tǒng)的干燥機在實現(xiàn)恒溫控制時，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的溫度反饋環(huán)節(jié)多采用數(shù)字式溫度傳感器，這種方式受限于器件本身的測溫精度，導致系統(tǒng)的恒溫精度不高，且數(shù)字式溫度器件響應速度較慢。針對上述缺陷，試驗設計了一種采用鉑熱電阻PT1000為感溫元件，再配合閉環(huán)恒溫控制的食品干燥設備恒溫控制系統(tǒng)，試驗結果表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)恒溫控制功能，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。但由于控制系統(tǒng)發(fā)熱部件和保溫設計的問題，在恒溫響應時間上還有待提高，后續(xù)將針對干燥設備的發(fā)熱效能和熱損失開展研究。