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电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering电子技术Electronic Technology基于PID 自动控制的高精度温控电路设计与实现郑本昌(中国运载火箭技术研究院研究发展部 北京市100076 )摘 要；本文为实现某半导体激光器对温度控制的需求，提出了一种基于PID 自动控制原理的高精度温控电路设计与实现方法。
采用 采用齐格勒一尼柯尔斯整定规则对PID 电路参数进行设定，有机结合模拟电路与数字电路优点，实现了对微波腔的大范围，快速响应和高稳定性的温度控制。
测试结果表明，温控精度达到±0.01°以内。
关键词：温控电路；PID 控制；高精度1引言半导体激光器由于其体积小、效率高、寿命长等优点，在激光光通讯、光存储、激光高速印刷、光信息处理、光传感等诸多方面 得到广泛而至关重要的应用(,-3|o 但从物理机制上讲，温度变化影 响了半导体激光器的这一美妙应用，由于激活介质的能带中等效费米能级随温度变化，使得增益曲线漂移从而造成频率漂移，甚至导致跳模，另外，温度变化引起激光器腔长变化，也将导致频率变化(4'5,o 由此可见，控制温度使其稳定是一项重要而且必不可少的任务。
针对半导体激光器控温，国内外进行了大量的研究。
PID(Proportional Integral Derivative)控制作为揑制工程中技术成熟，应 用广泛的一种控制策略，能够在一定程度上合理的解决动态稳定性和静态增益之间的矛盾，因此吸引了众多研究人员的兴趣。
贺春贵⑹等人分析了 PI 参数对温度控制稳定性的影响及温度控制的短期稳 定性，卢燕⑺等采用DSP 数字信号处理芯片的方式实现了 ±0.1。
控 温精度的温控系统，鲍健181等人实现了 ±0.05。
的高精度二极管激光 温度控制器。
本文针对某激光器控温精度±0.1。
高精度恒温控制电路在航空、航天控制系统及民用高精度测量设备中，为了提高测量精度，经常需要将某些关键元件置于恒温环境中。
本文介绍一种用于高精度恒流源的恒温槽控制器，实测表明，本恒温槽在设定温度为60qC时，四小时温度漂移不大于+/-0.02℃．日温度漂移不大于±0.05℃。
该恒温槽控制器电原理图如图1所示。
图1中，PT1为AD590三端集成温度传感器，用来实时测量恒温槽内实际温度。
R1为采样电阻，其两端电压与恒温槽内实际温度成比例，比例系数为20mV/℃。
RP1为温度设定电位器，用来设定恒温槽内的温度。
RL为加热元件，这里用10W线绕电阻器代用。
就原理而言，该控制器属于脉冲调宽式。
中图中IC/D及R10～R12、C3构成了自激式三角波发生器，波形如下图中Ud所示。
其频率由C3电容量及Rl0的电阻值决定（图中标定值情况下约为730赫兹）．幅值则取决于电源电压及R11、R12的比值。
中图中示出了a～d点诸点电压波形图。
从中图不难看出，当恒温槽内实际温度比设定值TO低得较多时（实测为5℃以上），IC/B始终处于负输出饱和状态，其输出电压Ua始终低于Ud，所以IC/C输出电压Ub始终为高电平，于是三极管V1始终处于饱和导通状态，电源电压全部加到加热元件RL上，恒温槽内温度快速上升。
当恒温槽内温度上升到比TO低约5℃时．Ua便与Ud有交点，即在一段时间内Ua高于Ud，在这段时间内Ub处于低电平．V1截止使得恒温槽内停止加温。
可见，恒温槽内温度越接近TO，加到RL上的脉冲宽度越窄，即加热功率平均值越小，恒温槽内温度上升越缓慢。
恒温槽内加热功率随温度变化如下图所示。
由下图可以看出，当恒温槽内温度达到设定值TO后即停止加热，以后恒温槽内温度便自动稳定在TO值。
由于采用了脉冲调宽电路，所以该控制器具有效率高和恒温性能好的特点。
在具体制作时，应注意以下几点：1．恒温槽自身的保温（隔热）性能对恒温精度有重要影响，所以恒温槽必须用导热性能差的材料。
电子线路课程设计报告设计课题：精密温度监测电路专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：精密温度监测电路一、设计任务与要求1、1供电电源在5~15V之间可选。
2、可精确设定监控温度，偏差范围小于±1℃。
3、当温度达到监控点时，启动声光提示，并输出一个开关量。
4、声光提示电路，声：蜂鸣器（间隔1秒响1次，频率1000Hz），光：LED指示。
5、开关量高电平有效，即监控的环境温度达到设定监控范围时，输出一个数字量，高电平有效。
二、方案设计与论证本次温度报警电路的设计我们用LED和蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以滑动变阻器模拟温度的变化，假设当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压小于2V或者大于3V时，输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，与此同时，与之相对应的LED发光，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度高与30℃时，报警器发出频率为0.5Hz的声响；电路所需直流电源由5V直流电压提供。
原理图：根据任务要求，所设计电路分为以下几个模块：电压比较器，LED报警装置和蜂鸣器报警装置。
其中，电压比较器采用集成电路LM393以实现模拟高温低温的不同情况；LED选用不同的颜色区分上下线高低温；用555实现蜂鸣器在不同温度下发出不同频率的响声。
三、单元电路设计与参数计算3.1 比较器电路的设计电路由若干电阻和LM393构成，如图1所示。
图1上限电压U1=R4÷（R4+R3）×VCC=3V下限电压U2=R2÷（R1+R2）×VCC=2V3.2 LED报警电路设计3.2.1 LED报警原理图报警电路由三极管、发光二极管及继电器组成，如图a所示，比较器的输出电压驱动继电器及发光二极管组成的光电报警电路，继电器的触点开关闭合，电热丝加热，温度升高，触点开关断开。
高精度无温阶恒温控制器电路高精度无温阶恒温控制器电路Q1、Q2的be结串联作为温度传感器，由精密稳压集成电路U3(TL431)提供约2.5V的高稳定基准电压源为传感器及窗口电压比较器（U2C,U2D）和差分放大器（U1C）提供合适的参考基准输入。
U1A,U1B的接入是为了便于调试并使差分放大器的输入阻抗尽可能平衡。
电压跟巡器U1D起缓冲隔离作用，分别将经U1C差分放大器放大后的温差电压Vd送到电压比较器U2B的同相输入端上，U2C的反相输入端接在由U2A等组成的锯齿波电压发生器的输出端上，在锯齿波电压低于Vd期间，U2B输出高电平，Q5饱和导通使接口电路U5得到输入电流信号，其输出端触发双向可控硅VS在市电过零时导通。
负载得电工作而发热。
培养箱内温度升高，LED3为一绿色高亮度发光二极管，其作用有三：1，作为加热工作状态指示灯用；2，防止电路可能出现误动作；3，为抵消因Q6可能出现的饱和压降过大而使Q5在超温时不能可靠的截止。
因负载得电工作发热，培养箱内温度升高，与设定点的温度差减小，从而引起U1C输入的差分电压变小，U1C输出变小，U1D输出（Vd）亦变小，（在一个锯齿波周期内）U2B输出高电平时间减少，以致于培养箱内温度上升速度减慢，当培养箱内温度达到设定温度（37℃）时，此时，温差最小，Vd此时亦最小，负载得电时间最短。
以致于培养箱内温度基本上无变化，负载所发热量与培养箱与环境热交换所散发的热量相当，从而维持培养箱内温度稳定在设定温度上。
由于负载工作时间长短与温差密切相关（温差大时，Vd大负载得电工作时间就长产热量多，反之，负载工作时间就少，产热也少），而且传感器的输出经约100倍放大从而使得本电路的灵敏度和控制精度都比较高。
基本上没有明显的温度阶跃。
U2C,U2D为一窗口电压比较器，当培养箱内温度低于设定的报警下限温度时，U2C 输出高电平，黄色发光二极管LED4被点亮，表示欠温状态，同时为报警声源集成电路U4提供工作电源使U4工作输出音频信号经Q7放大推动扬声器发声报警；而当某种原因使电路失控而致培养箱内温度升高超过设定报警温度的上限温度时，U2D输出高电平，一路使红色发光二极管LED5发光指示出超温状态，并为报警电路供电是扬声器发声报警；与此同时，经R17使Q6饱和导通，迫使Q5截止，切断U5的输入电流，使VS关断。
一种高精度的温控电路
阅览次数：423 作者：陈天平单位：
【摘要】本文重点讲述一种利用电阻电桥实现的高精度温度控制电路，采用不间断电
流方式，可以将温度控制在±0.1℃范围之内，从而实现动态的温度平衡。
【关键字】电阻电桥运算放大器功率放大铂电阻开关电源
现在的军事、工业、商业中，温度控制是一种最常见、最普通的应用。
但是在控温精度要求不高的地方大多末级采用继电器来控制，靠继电器的吸合来实现的，其控制精度大约在±10℃范围之内。
即使随着单片机的发展出现的PID调节，也只是对前一部分放大部分作一些处理，而末级仍旧采用继电器实现的，但控温精度有所提高，一般在±0.1℃~±5℃范围之内，这在某些对温度要求较高的方面是很难实现的。
当然，也有利用可控硅和电磁阀等来控制的，其精度稍高。
随着军事、工业的发展，对许多高端产品的调试环境都有进一步的要求，其环境温度变化很小，有±1℃、±0.5℃、±0.3℃、±0.2℃、±0.1℃等，有的甚至要求更高。
例如，石英挠性加速度计调试环境要求55±0.1℃，捷联惯组的调试温度要求70±0.1℃。
显然，靠继电器来实现温度控制是远不能满足要求的。
于是经过多方面的搜集资料，并通过多方面的试验，我设计出一种利用大进大出原理（即可以实现频繁的热交换）实现的一种不间断电流的温度控制系统。
此种设计思想可以保证被加热体的内外保持良好的热交换，从而起到更好的控温效果。
整体系统框图如下：
由图可知，由加热器和控温铂电阻构成的热-电微型电路构成了闭环控制回路。
控制过程
可以通过调整控温电阻的大小来设定控制的温度点。
测温铂电阻用来测量被加热环境的温度。
其中的微调是用来做微小的调整用的，在加温过程中可能由于外界环境温度的变化会引起控制温度点的偏差，此时可以通过调整微调来实现控温的准确性，此时若不做微调能会使温度控制在非设定的温度点，但控温精度不会改变，只是控温点有所变化。
在电路图中Vcc0是一个要求有高的稳定性的电源，它在某一时期的稳定性应要求比较高。
Vcc1是T1、T2工作所需用的工作电压。
电路由R2、R3、Rc、Rt构成电阻电桥，其中Rc为控制控温点的电阻，Rt为控温铂电阻，T3是大功率调整管。
其中R2、R3、R6、R7、R8应选用精度较高的金膜电阻，其精度要求0.1~0.01%，在调试中定。
T1、T2应选则放大倍数匹配的晶体管以便构成功率符合管。
控制部分电路图
控温原理：其中
当调试环境温度与设置的温度点相差较大时（一般时由低温到高温的升温），Uab输出的就较大，此时通过运放放大后输出的Ue较大，然后在通过由T1和T2组成的复合功率
放大电路输出一个电压值Ug，靠Ug驱动电流调整管T3，此时在加热器上有较大的电流通过，加热效果明显。
随着温度的升高，当调试环境温度与设置的温度点差值的减小，Uab产生的压差也逐渐减小，此时通过加热器的电流变小。
当环境温度与设定的温度点相等时，此时Uab最小，但不为0，就靠此较小的压差使得通过加热器的电流保持在某一稳定的范围之内。
此时有可能出现环境温度稍高于设定的温度，这没关系，只是一个缓冲，当系统恒定后，此种情况即可消失,温度又回到设定的温度。
当然，对于这种要求高精度的温度控制系统，如果加温环境过大，那无疑给控温效果带来一定的困难，只有加温环境相对较小时才容易达到要求。
当然，加温环境及被加温容器的结构与控温效果有直接的关系，加热器的功率及所要控制的被加热的环境温度的范围及加温电源的选择都直接影响控制效果，在这方面也应该仔细思考、设计。
设计中还应该考虑：
1．采用什么型号的铂电阻？
铂电阻应该选用的线性系数大小？以及采用的是正温度系数还是负温度系数？
2．是否采用三线式的铂电阻连接方式？
三线式可以减少因被加温环境与控制仪器相距较远的问题。
当距离较近是看控温的精度是否采用三线式。
3．加温电源是采用开关电源还是什么电源？
开关电源是一种新型的、精度和功率都比较高的电源，利用开关电源可以减少整机的重量，避免了大功率工频变压器，从而提高产品电磁兼容性，并保证产品的质量和可靠性。
4．调整管用什么型号的？
调整管的功率直接影响控温效果，如果功率过小，温度一直加不上去，甚至会烧坏功率管和电路的某些元件。
5．运放用什么型号的？
运放应采用高增益、低温漂的运放。
6．测温部分应保证其测量精度。
否则无法识别控温的效果。
小结：
控温的精度主要取决于铂电阻和运放的性能的可靠性，铂电阻随温度变化的大小使得产生的压差大小和运放的放大倍数直接影响后级的驱动电流是否能够驱动电流调整管。
控
制的温度范围主要与电阻电桥桥臂上的控制电阻有关系。
当然，还要求加温环境的外部环境的温度不能有较大的浮动。
【参考资料】
1．《电子设备结构设计原理》华北航天工业学院曹白杨主编
2．《测控电路》机械工业出版社天津大学张国雄金篆芷主编
3．《集成电子线路设计手册》福建科学技术出版社宋家友主编
4．《模拟电子技术基础》高等教育出版社秦曾煌主编
5．《机电一体化系统设计》机械工业出版社唐可洪主编
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