電路老化試驗(yàn)箱恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言
    目前，各種電子產(chǎn)品應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，但是所有的電子產(chǎn)品都有一定的使用壽命，會(huì)隨著使用時(shí)間的推移逐漸老化電路測試實(shí)驗(yàn)箱被廣泛采用，在恒溫箱溫度控制系統(tǒng)中，一般基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，其執(zhí)行器一般采用可控硅模塊，控制算法采用雙位控制方法、模糊控制方法、傳統(tǒng)：PID控制方法、模糊PID控制方法等。采用可控硅模塊作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，并且系統(tǒng)可靠性難以保證。采用雙位控制方法控制精度比較粗糙，簡單模糊控制方法控制精讀同樣不能保證。對于具有大時(shí)滯特性的溫度控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制方法都存在參數(shù)難以調(diào)整的缺點(diǎn)?；谝陨戏治?，本文提出基于固態(tài)繼電器和自整定PID算法的單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)，具有電路簡單可靠并且控制精度高的特點(diǎn)。

1 固態(tài)繼電器的分類及其工作原理
1．1 固態(tài)繼電器分類
    固態(tài)繼電器(solid state relay，SSR)是用分離的電子元件、集成電路或芯片，及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電器特性的無觸點(diǎn)電子開關(guān)。SSR具有輸入控制電壓低、驅(qū)動(dòng)電流小、無觸點(diǎn)、電磁干擾小、絕緣耐壓高、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)。
    按負(fù)載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC－SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC－SSR)。按AC－SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為隨機(jī)導(dǎo)通(P)型和過零觸發(fā)(Z)型兩種。P型AC－SSR是當(dāng)控制信號輸入后能立即導(dǎo)通，在負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷，因此在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。Z型AC－SSR則是當(dāng)控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過零電壓附近時(shí)導(dǎo)通，其關(guān)斷條件與P型相同，故干擾很小。
1．2 固態(tài)繼電器的工作原理
    由于Z型AC－SSR具有干擾小的特性，故在此選用Z型AC-SSR作為恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，并以圖1為例介紹其工作原理。

    電路由信號輸入電路、零電壓監(jiān)測系統(tǒng)、工作指示電路、雙向可控硅控制電路和吸收電路組成。光電耦合器GD作為輸入電路和輸出電路之間的隔離元件，VD防止Vin正負(fù)接反燒壞GD。VT為反相器，SCR為單向可控硅，BR為雙向整流橋，TR為雙向可控硅。R7和C1組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。[!--empirenews.page--]
    電路的工作過程是：當(dāng)無輸入信號時(shí)，GD中的光敏三極管截止，VT為交流電壓零點(diǎn)監(jiān)測器，通過R3獲得基極電流而飽和導(dǎo)通，將SCR的門極扣在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)有輸入信號時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，此時(shí)SCR的狀態(tài)由VT決定。如果電源電壓大于過零電壓時(shí)，分壓器R2、R3的分壓點(diǎn)P電壓大于VBE，VT飽和導(dǎo)通，SCR門極因扣位在低電壓而截止，TR的門極因沒有觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。只有當(dāng)電源電壓小于過零電壓，P點(diǎn)電壓小于VBE時(shí)VT截止，SCR門極通過R4獲得觸發(fā)信號而導(dǎo)通。在TR的門極獲得從R6→BR→SCR→BR→R5以及R5→BR→SCR→BR→R6正負(fù)兩個(gè)方向的觸發(fā)脈沖，TR導(dǎo)通，從而接通負(fù)載電源。當(dāng)輸入信號關(guān)斷后，GD中的光敏三極管截止，VT飽和導(dǎo)通，使SCR門極箝位在低電位而關(guān)斷，但是此時(shí)TR仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載上仍有電流流過，直到負(fù)載電流隨VAC減小到小于雙向可控硅TR的維持電流后才自行關(guān)斷，切斷負(fù)載電源。
    需要注意的是所謂的過零電壓并非真正的必須是電源電壓波形的零處，而是指在10～20 V或者-(10～20)V區(qū)域進(jìn)行觸發(fā)。

2 恒溫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    在某治療儀電路板的電氣老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要用到一個(gè)恒溫老化試驗(yàn)箱。根據(jù)電路老化原理，在電子產(chǎn)品壽命周期T內(nèi)，產(chǎn)品壽命初期和末期的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品壽命中期的故障率。其使用時(shí)間一故障率曲線如圖2所示。設(shè)計(jì)恒溫老化試驗(yàn)箱的目的是為了在產(chǎn)品出廠之前通過在短時(shí)間內(nèi)高溫老化，使其老化程度同等于實(shí)際產(chǎn)品使用時(shí)間t1，從而檢測出產(chǎn)品壽命初期容易出現(xiàn)故障的產(chǎn)品，以減少出廠后的產(chǎn)品返修率，提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際計(jì)算，該電子產(chǎn)品的老化試驗(yàn)箱的溫度控制要求是：70±0．2℃恒溫2 h。
2．1 基于單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
    基于AT89C51單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。由于控制溫度為70℃，故選用PT100鉑電阻作為檢測元件。選用并行接口電路8155A芯片擴(kuò)張鍵盤、LED顯示接口，A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行數(shù)摸轉(zhuǎn)換。報(bào)警輸出外接蜂鳴器，用于檢測溫度的高溫報(bào)警。鍵盤用于系統(tǒng)參數(shù)、給定值的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止及其他功能。LED用于設(shè)定參數(shù)、給定溫度、當(dāng)前溫度等的顯示。

    系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，首先鉑電阻把老化試驗(yàn)箱的溫度轉(zhuǎn)換為電流量，并經(jīng)過溫度檢測電路和A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)。然后經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算得出控制輸出并發(fā)送到PWM芯片，PWM芯片把數(shù)字信號整定為在一定周期內(nèi)為一定占空比的PWM信號，驅(qū)動(dòng)SSR控制發(fā)熱絲的通斷。如此循環(huán)下去，最終達(dá)到精確控制溫度的目的。[!--empirenews.page--]
2．2 基于自整定PID算法的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，通過鍵盤設(shè)定控制器的參數(shù)，通過PID自整定鍵啟動(dòng)PID自整定功能。然后通過鍵盤設(shè)定所需的溫度值，接著調(diào)用測量顯示子程序顯示當(dāng)前溫度。當(dāng)測量溫度等于設(shè)定溫度時(shí)，程序返回溫度設(shè)定模塊，當(dāng)測量溫度不等于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)PID控制模塊，然后返回測量顯示模塊，如此循環(huán)下去，直到測量溫度等于設(shè)定溫度為止。由于恒溫箱溫度控制系統(tǒng)具有大時(shí)滯和非線性特性，常規(guī)PID控制參數(shù)難以整定。在此設(shè)計(jì)了自整定PID算法，解決了PID整定困難的問題。下面介紹自整定PID算法的設(shè)計(jì)過程。

    離散PID控制算法表達(dá)式為：
   
    根據(jù)Ziegler-Nichle條件，PID三個(gè)參數(shù)可由以下公式整定：

   
    式中：TC為臨界振蕩周期。
    將式(2)代入式(1)，則離散PID算法只存在一個(gè)整定參數(shù)
    KP選取具有快速平穩(wěn)特性的偏差絕對值乘時(shí)間的積分(ITAE)最優(yōu)準(zhǔn)則：
   
    作為目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)其為最小值時(shí)，控制系統(tǒng)為最佳狀態(tài)。它具有對單位階躍響應(yīng)的起始誤差考慮少，而著重權(quán)衡瞬態(tài)響應(yīng)后期出現(xiàn)誤差的功能。應(yīng)用這種準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)特點(diǎn)是其瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量很小，即抗干擾能力強(qiáng)，且振蕩有足夠的阻尼，具有良好的選擇性和靈敏度。
    離散化式(3)得：
   
    參數(shù)自整定方法：每次計(jì)算QITAEn后與上次計(jì)算的QITAEn-1比較，根據(jù)QITAE的變化趨勢對PID算法中的KP進(jìn)行修正，修正周期一般取(5～10)T。具體修正算法如下：

    當(dāng)QITAE趨于恒定時(shí)，PID自整定算法結(jié)束。

3 結(jié)束語
    根據(jù)電路老化試驗(yàn)箱的溫度控制要求設(shè)計(jì)出的基于固態(tài)繼電器的自整定PID恒溫控制系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)方法簡單可靠、使用方便、控制精度高的特點(diǎn)。此設(shè)計(jì)可應(yīng)用于企業(yè)的電路老化試驗(yàn)箱新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，能取得了良好的控制效果，滿足用戶的產(chǎn)品需求，值得向廣大企業(yè)推廣應(yīng)用。