小型溫控系統的研究

可以看出大概有1.5℃的超調量，但是本算法建立時間短，而且最終穩定精度高。

通過實驗可以發現，微分環節在溫度控制系統中發揮了重要的作用，能夠反映出偏差信號的變化趨勢，并且能夠在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快了系統的動作反應速度，減小調節時間。當溫度每發生一個大約0.07℃的變化梯度時，微分作用會導致很大的控制信號正負跳變，消耗較大功率，所以在實際控制算法中給微分環節加入了一個低通數字濾波環節。

4 系統軟件設計

本系統中使用單片機作為主控芯片，整個C語言主函數包含的子函數模塊主要有：延時函數、復位函數、位讀函數、位寫函數、字節讀函數、字節寫函數、DAC1數模轉換、讀取溫度函數等。

圖5 單片機控制DS18B20讀取溫度子程序流程圖

根據DS18B20工作條件以及指令說明，單片機控制讀取溫度的控制子程序流程圖如圖5所示，主要實現以下幾個功能：

CCH SKIP ROM跳過存儲器命令：主器件單片機可以使用跳過存儲器命令來呼叫總線上所有從器件，而不必通過發送每個從器件的存儲器代碼逐個呼叫。

0xBE讀暫存寄存器命令：單片機可以讀取暫存寄存器中的內容。數據發送以暫存寄存器字節0的最低位開始，一直到第9字節。任何時候只要單片機想讀暫存寄存器中的數據，就先發送復位命令，再使用讀暫存寄存器命令。

44H溫度轉換命令：溫度轉化命令初始化一次溫度轉換，轉換完成后，結果被保存在兩字節溫度寄存器中，然后DS18B20進入到低電壓零狀態。

以上程序反復運行，就可以通過DS18B20實時對溫度進行讀取。

5 結語

本文設計和實現了一種利用半導體加熱制冷片，基于單片機的小型實驗用溫控系統，能夠在較低的功耗下實現快速溫度變化控制。通過做全功率加速和制冷的實驗，得到了最大加熱溫度可到90℃，而最大制冷溫度能到約-10℃。系統控制溫差范圍約100℃，穩定后的溫度波動為±0.1℃之內。

本設計屬于國防科研項目，主要用于對MEMS器件進行溫度特性測試，已投入使用，長時間工作穩定，并且具有較好的快速性，完全可以滿足溫度特性測試的項目要求。

本文作者創新點：采用半導體加熱制冷片作為小型溫控箱的加熱與制冷執行元件，DS18B20溫度傳感器反饋溫度信號，并且以單片機作為控制單元，使用增量式PID控制算法取代普通PID控制，實現了一種經濟、有效而且穩定的溫控方案。