基于单片机的真空冷冻干燥试验仪温度控制器设计

1 引言

真空冷冻干燥技术在低压、真空的条件下使物料水分升华，是干燥技术领域中科技含量高、涉及知识面广的一种技术，由于其干燥产品具有复水性能佳、色泽保持好、营养成分损失少、产品重量轻、便于携带运输、易于长期保存等优点，在品质上远优于其它干燥制品，使其成为干燥技术研究和发展的前沿。

真空冷冻干燥技术对于不同的应用场合有不同的试验及温度要求。本系统试验对象为某种生物材料，采用液态氮作为冷却液，要求温度的控制设定值为-60℃，温度的最小分辨率为0.5℃，偏差要求≤±2℃。要求能实时显示当前与设定的温度值，并且可通过键盘调整设定温度值。

2 系统硬件体系设计及关键电路设计分析

硬件系统采用atmel公司的at89c52单片机为控制核心，其内部含有8kb的e2prom和256b的ram，能满足一般需求，而无需扩展外部程序存储器，系统时钟采用12mhz。控制器的主要硬件结构框图如图1所示。

图1 控制器的硬件结构

2.1 温度传感器电路

考虑要求的控制精度较高，温度传感器选用pt100型铂热电阻温度传感器。pt100测温精度高、稳定性好，非常适合-200～+650℃温度范围的精确测量，由于传感器电阻rt和温度t之间的关系是非线性的，为消除非线性对测温精度的影响，设计非线性的校正电路，且考虑采用四线制接法来消除引线电阻的影响。如图2所示，图中互导放大器的互导为g，可以使输出带电压得到一个1/(1-grt)的比例系数，适当的选取g值就可以将非线性误差降到一个很小的范围内。g值可以通过校正试验来确定，本设计中通过试测取g=0.38ma/v，测量误差可达到小于0.1℃的精度。

图2 pt100温度变送器模型电路

图2中，4根导线的电阻为ra，rb，rc，rd。则rb可以看作是a1差模输入阻抗的一部分，而rc可看作是a1输出阻抗的一部分。闭环后，rb和rc的影响均可消除。采用电压缓冲器，使从d点向左方看进去的输入阻抗ri为极大，又采用电流源电路使从c点向左方向看进去的输出阻抗rd为极大，这样就消除了引线电阻对测温的影响。

2.2 a/d转换

由于真空干燥试验仪是液氮传导辐射冷却，是典型的大滞后的温度系统，同时试验要求有很高的精度控制要求，所以选用双积分型的a/d转换器，双积分型由于两次积分的时间比较长，所以a/d转换速度慢，但精度很高，而且对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能很好。十分适合本系统所面对的控制状况。

选用位双积分a/d转换器mc14433（精度相当于11位二进制数），具有精度高，抗干扰性能好等优点，速度约为1～10次/s，mc14433 a/d转换器的被转换电压量程为199.9mv。转换完后以bcd码的形式分4次送出。mc14433电路结构图如图3所示。

图3 mc14433电路结构图

mc14433的a/d转换结果是动态分时输出的bcd码，q3～q0为千、百、十、个位bcd码，而ds1～ds4引脚输出分别为千、百、十、个位的选通信号。

图4中mc14433为+2.5v精密集成电压基准源，经电位器分压后作为a/d转换用基准电压。du端与eoc端相连，即选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄存器。eoc是a/d转换结束的输出标志信号。at89c52读取转换结果采用中断方式。

图4 mc14433与at89c52连接的硬件接口

2.3 键盘/显示系统设计

显示功能和输入功能是单片机系统的人机接口，是其最基本的组成部分。由于单片机at89c52本身的i/o口数量有限，同时要考虑必须的数据总线和地址总线，因此i/o口资源紧张，要实现显示和输入功能必须扩展i/o口。常用的i/o扩展芯片有ttl、cmos锁存器、缓冲器芯片和8255a、8155等，考虑到系统扩展对整个系统的稳定性和运行效率的影响，选用8155进行扩展，选用共阴极led数码管显示温度，实现实测温度的实时显示，同时能显示初始设定温度值。设定温度值由键盘中断输入，并实时显示。

2.4 通讯系统设计

单片机系统需要和上位pc机进行通讯。选用较为普及的串行通讯。串行通讯分为同步通讯和异步通讯两种通讯方式。由于同步通讯方式对通讯双方的时钟频率要求相同，而对于单片机和pc机之间难以保证这一点，因此系统通信采用异步通讯方式。另外pc机串口的电平为rs-232电平，而mcs-51单片机串口的电平是ttl电平，要想实现两者之间的通信，需要在它们之间加电平转换电路，使用中很不方便。故使用max232代替。pc机串行口与单片机之间的连接方式一般为3线零moderm方式，即只采txd、rxd和gnd等3根基本的数据线直接相连。单片机将实时采集转换的温度送显示的同时，每隔5分钟将当前温度值送pc机存储，提供打印温度变化曲线。作为扩展，设置并且可以由pc机发送初始设定温度，由单片机接收显示。

2.5 输出控制及报警

单片机的输出控制电机工作，为避免强干扰，选用带有光电隔离功能的晶闸管mc3041。另外，为了保证制件质量，在电路设计中考虑到加设报警电路，当温度低于-80℃时，绿色发光二极管被点亮；当温度高于-30℃时，红色发光二极管被点亮。

2.6 系统抗干扰设计

抗干扰技术主要是硬件和软件上的抗干扰技术，在硬件上采用良好的接地，选用合适的元器件等方面。本系统在充分考虑硬件上的抗干扰后，设计了一系列软件抗干扰措施：（1）在传感器数据采集处理上，采用中值法数字滤波；（2）设置软件陷阱，用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。（3）“看门狗”技术：采用程序监视技术，又称“看门狗”技术(watch-dog)，避免程序进入“死循环”。“看门狗”不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000h入口，在0000h处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。设计2个定时器，一个为短定时器，一个为长定时器，并各自独立，短定时器像典型看门狗一样工作，它保证一般情况下看门狗有快的反应速度，长定时器近定时大于cpu执行一个主循环程序的时间，用来防止看门失效。

3 控制算法设计

根据本系统的温度控制精度≤0.5℃，并考虑误差积累对控制系统的影响，选用增量式pid控制算法，即指单片机数字控制器的输出只是控制量的增量，其控制算式为：

（1）式中:、、分别为比例、积分、微分系数；为基本偏差，表示当前测量值和设定目标间的差。

该算法的优点有：（1）计算机输出增量，所以误动作比较小。（2）算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近的3次(系统采用恒定的采样周期时，k取3次)的采样值有关，因而比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

4 系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法，由主程序模块，功能实现模块和运算控制模块等三大模块组成。

4.1 主程序模块　

在程序中首先给定pid算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，以等待中断，并且设定键盘外部中断为高优先级，使主程序能实时响应键盘处理，软件设定定时器t0为10s定时，在无按键时，应每隔10s响应1次，用来采集温度传感器经a/d转换的温度信号。设置定时器t1为t0的嵌套中断，初值由pid算法子程序来提供。用来执行对电机控制以及报警电路等。流程图如图５所示。

图5 主程序流程图

4.2 功能实现模块

功能实现模块主要由a/d转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序和显示子程序等组成。其中主要的中断子程序为:（1）t0中断子程序　由于温度变化的滞后性，单片机内部设定8s定时中断，低优先级，在该中断响应时，单片机完成以下工作：a/d转换和数据采集、数字滤波、判断温度是否超出范围、显示温度、计算温度偏差、调用增量pid算法并输出控制量。（2）t1中断子程序t1定时中断嵌套在t0中断之中，为高优先级中断。t1的定时初值由pid算法子程序提供，t的中断响应时间用于输出对电机的控制信号。

4.3 运算控制模块

子程序框图如图６所示。主要完成增量式pid算法的运算，计算出输出控制增量，并根据输出控制增量△u(k)设定t1的定时值，控制电机的动作。　

图6 子程序流程图　　

5 结束语

经试验运行，该系统能基本可靠运行，配合软件算法设计，可有效解决温度大滞后控制精度不精确的问题，显著提高温度测量结果精度，并可避免因控制电机执行机构滞后、过量执行而影响测量准确性，从而能娇好的完成试验目的。