溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，溫度是一個(gè)重要而普遍的熱工參數(shù)。常規(guī)的溫度控制方法是設(shè)定一個(gè)溫度范圍，超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào)控。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，因此，只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。而采用PID算法進(jìn)行溫度控制，具有控制精度高、能夠克服容量滯后的特點(diǎn)，適用于控制品質(zhì)要求高的控制系統(tǒng)。
    單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部分，廣泛應(yīng)用。利用單片機(jī)控制溫度系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境檢測(cè)具有極高的靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，且效率極高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    該溫度控制系統(tǒng)的前級(jí)采用LM35型模擬集成溫度傳感器來(lái)采集溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后送入ADS7886采樣輸出數(shù)字信號(hào)，將得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)和用戶輸入信號(hào)的分析自動(dòng)選取合適的PlD系數(shù)并計(jì)算出相應(yīng)的加熱(或制冷)波形的占空比系數(shù)，接著將占空比系數(shù)送入FPGA，由FPGA內(nèi)部構(gòu)建的DDS讀取相應(yīng)的占空比并轉(zhuǎn)化為波形輸出，驅(qū)動(dòng)制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)木箱內(nèi)部溫度的自動(dòng)控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用大屏幕點(diǎn)陣式LCD和按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，使得系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單快捷，同時(shí)LCD還可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量得到的溫度值，并繪制出坐標(biāo)圖像，統(tǒng)計(jì)信息明確直觀。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 前級(jí)采樣電路
    LM35是電壓輸出型溫度傳感器，當(dāng)溫度在0 ℃時(shí)輸出電壓為零，當(dāng)電壓每上升1℃輸出電壓便增加10 mV。較小的電壓對(duì)A／D采樣的精度會(huì)造成比較高的影響。所以在LM35輸出端連接一個(gè)同相放大器。考慮放大時(shí)的精度和對(duì)共模干擾信號(hào)抑制需要，這里選用精密高共模抑制比的運(yùn)算放大器OPA277。由于實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量精度為0．1℃，要求在5～35℃范圍內(nèi)至少取樣300個(gè)點(diǎn)，因此，至少選用9位的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣才能滿足實(shí)驗(yàn)要求，考慮到功能擴(kuò)展的需要，這里選用12位高精度的串口ADS7886來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2．2 加熱致冷切換控制電路
    系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)加熱和制冷2種功能，制冷片當(dāng)電壓極性相反時(shí)，其制冷面和散熱面也會(huì)交換。則系統(tǒng)電路必須包含加熱制冷切換模塊，該模塊采用2個(gè)直流繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖3所示。

2．3 FPGA設(shè)計(jì)
    FPGA是該溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，在FPGA中實(shí)現(xiàn)加熱制冷切換控制模塊以及A／D采樣模塊2個(gè)核心部分，在加熱制冷控制切換模塊中，采用2個(gè)繼電器控制半導(dǎo)體控制制冷片兩端電壓極性，A／D采樣模塊采用狀態(tài)機(jī)控制A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)放大器OPA277的采樣過(guò)程。具體電路如圖4所示。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，溫度讀數(shù)精度可以達(dá)到0．1℃，同時(shí)設(shè)定的溫度讀數(shù)和最終結(jié)果最大偏離為1．1℃，說(shuō)明該溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)精度較高。同時(shí)通過(guò)第2組數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)溫差大于15℃時(shí)達(dá)到指定溫度所需的時(shí)間只要148 s，說(shuō)明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)平衡溫度時(shí)間較短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)充分利用了FPGA的強(qiáng)大功能，將LCD接口電路，鍵盤(pán)接口電路，信號(hào)串并行轉(zhuǎn)換電路，以及DDS信號(hào)發(fā)生器全部構(gòu)建在內(nèi)部，使得硬件連接簡(jiǎn)單明了，外部硬件只有2個(gè)模塊：溫度信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊和制冷片驅(qū)動(dòng)模塊。由于外設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)試時(shí)候相當(dāng)方便，同時(shí)可以方便修改FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)一步修改和擴(kuò)展，使得系統(tǒng)功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣泛。圖5為該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析
    考慮到外部環(huán)境的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)溫造成一定干擾，因此將裝置放在裝有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)為了精確測(cè)定木盒內(nèi)部溫度，以便選擇相應(yīng)的PID控制系數(shù)，選用高精度的數(shù)字溫度計(jì)同時(shí)對(duì)盒內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。表1給出了實(shí)際測(cè)試的比較結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制算法。PID結(jié)合擬合分段算法必須盡量減少其他因素的影響，精確確立相應(yīng)的PID參數(shù)。而硬件設(shè)計(jì)應(yīng)選用高精度高速器件，以獲得足夠快的速度與足夠高的精度，絕熱和散熱是設(shè)計(jì)成功的決定因素。木盒絕熱性差，盒內(nèi)溫度受到外界影響大，只有絕熱好，溫度變化才能理想。此外，制冷片熱端的散熱對(duì)系統(tǒng)也有很大影響。系統(tǒng)測(cè)量的誤差來(lái)源主要是溫度傳感器在測(cè)量溫度時(shí)存在非線性誤差，前級(jí)放大電路引入新的干擾，A／D采樣時(shí)帶來(lái)的量化誤差等。另外，由于后級(jí)功率控制電路中的光電耦合開(kāi)關(guān)具有一定的功率損耗，導(dǎo)致控制加熱或升溫時(shí)間內(nèi)達(dá)不到設(shè)定的功率，以致溫度調(diào)節(jié)存在誤差。