电路老化试验箱恒温控制系统的设计

0 引 言
    目前，各种电子产品应用于我们日常生活的方方面面，但是所有的电子产品都有一定的使用寿命，会随着使用时间的推移逐渐老化电路测试实验箱被广泛采用，在恒温箱温度控制系统中，一般基于单片机设计，其执行器一般采用可控硅模块，控制算法采用双位控制方法、模糊控制方法、传统：PID控制方法、模糊PID控制方法等。采用可控硅模块作为执行机构电路实现比较复杂，并且系统可靠性难以保证。采用双位控制方法控制精度比较粗糙，简单模糊控制方法控制精读同样不能保证。对于具有大时滞特性的温度控制系统，传统PID控制和模糊PID控制方法都存在参数难以调整的缺点。基于以上分析，本文提出基于固态继电器和自整定PID算法的单片机恒温控制系统，具有电路简单可靠并且控制精度高的特点。

1 固态继电器的分类及其工作原理
1．1 固态继电器分类
    固态继电器(solid state relay，SSR)是用分离的电子元件、集成电路或芯片，及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电器特性的无触点电子开关。SSR具有输入控制电压低、驱动电流小、无触点、电磁干扰小、绝缘耐压高、耐腐蚀、抗干扰能力强、寿命长、可靠性高等特点。
    按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC－SSR)和直流固态继电器(DC－SSR)。按AC－SSR的控制触发方式不同，又可分为随机导通(P)型和过零触发(Z)型两种。P型AC－SSR是当控制信号输入后能立即导通，在负载电流过零时关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。Z型AC－SSR则是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，其关断条件与P型相同，故干扰很小。
1．2 固态继电器的工作原理
    由于Z型AC－SSR具有干扰小的特性，故在此选用Z型AC-SSR作为恒温箱温度控制系统的执行器，并以图1为例介绍其工作原理。

    电路由信号输入电路、零电压监测系统、工作指示电路、双向可控硅控制电路和吸收电路组成。光电耦合器GD作为输入电路和输出电路之间的隔离元件，VD防止Vin正负接反烧坏GD。VT为反相器，SCR为单向可控硅，BR为双向整流桥，TR为双向可控硅。R7和C1组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。[!--empirenews.page--]
    电路的工作过程是：当无输入信号时，GD中的光敏三极管截止，VT为交流电压零点监测器，通过R3获得基极电流而饱和导通，将SCR的门极扣在低电位而处于关断状态。当有输入信号时，光敏三极管导通，此时SCR的状态由VT决定。如果电源电压大于过零电压时，分压器R2、R3的分压点P电压大于VBE，VT饱和导通，SCR门极因扣位在低电压而截止，TR的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电压小于过零电压，P点电压小于VBE时VT截止，SCR门极通过R4获得触发信号而导通。在TR的门极获得从R6→BR→SCR→BR→R5以及R5→BR→SCR→BR→R6正负两个方向的触发脉冲，TR导通，从而接通负载电源。当输入信号关断后，GD中的光敏三极管截止，VT饱和导通，使SCR门极箝位在低电位而关断，但是此时TR仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随VAC减小到小于双向可控硅TR的维持电流后才自行关断，切断负载电源。
    需要注意的是所谓的过零电压并非真正的必须是电源电压波形的零处，而是指在10～20 V或者-(10～20)V区域进行触发。

2 恒温控制系统的实现
    在某治疗仪电路板的电气老化试验设计中，需要用到一个恒温老化试验箱。根据电路老化原理，在电子产品寿命周期T内，产品寿命初期和末期的故障率远远大于产品寿命中期的故障率。其使用时间一故障率曲线如图2所示。设计恒温老化试验箱的目的是为了在产品出厂之前通过在短时间内高温老化，使其老化程度同等于实际产品使用时间t1，从而检测出产品寿命初期容易出现故障的产品，以减少出厂后的产品返修率，提高出厂产品的质量。

    根据经验及实际计算，该电子产品的老化试验箱的温度控制要求是：70±0．2℃恒温2 h。
2．1 基于单片机的硬件设计
    基于AT89C51单片机的恒温控制系统硬件设计框图如图3所示。由于控制温度为70℃，故选用PT100铂电阻作为检测元件。选用并行接口电路8155A芯片扩张键盘、LED显示接口，A／D转换器ADC0809进行数摸转换。报警输出外接蜂鸣器，用于检测温度的高温报警。键盘用于系统参数、给定值的设置，实现系统启动、停止及其他功能。LED用于设定参数、给定温度、当前温度等的显示。

    系统的工作过程如下：系统进入工作状态后，首先铂电阻把老化试验箱的温度转换为电流量，并经过温度检测电路和A／D转换器，转换为数字信号输入单片机。然后经过单片机运算得出控制输出并发送到PWM芯片，PWM芯片把数字信号整定为在一定周期内为一定占空比的PWM信号，驱动SSR控制发热丝的通断。如此循环下去，最终达到精确控制温度的目的。[!--empirenews.page--]
2．2 基于自整定PID算法的软件设计
    系统的软件设计流程图如图4所示。系统首先进行初始化，通过键盘设定控制器的参数，通过PID自整定键启动PID自整定功能。然后通过键盘设定所需的温度值，接着调用测量显示子程序显示当前温度。当测量温度等于设定温度时，程序返回温度设定模块，当测量温度不等于设定温度时，启动PID控制模块，然后返回测量显示模块，如此循环下去，直到测量温度等于设定温度为止。由于恒温箱温度控制系统具有大时滞和非线性特性，常规PID控制参数难以整定。在此设计了自整定PID算法，解决了PID整定困难的问题。下面介绍自整定PID算法的设计过程。

    离散PID控制算法表达式为：
   
    根据Ziegler-Nichle条件，PID三个参数可由以下公式整定：

   
    式中：TC为临界振荡周期。
    将式(2)代入式(1)，则离散PID算法只存在一个整定参数
    KP选取具有快速平稳特性的偏差绝对值乘时间的积分(ITAE)最优准则：
   
    作为目标函数。当其为最小值时，控制系统为最佳状态。它具有对单位阶跃响应的起始误差考虑少，而着重权衡瞬态响应后期出现误差的功能。应用这种准则设计的系统特点是其瞬态响应的超调量很小，即抗干扰能力强，且振荡有足够的阻尼，具有良好的选择性和灵敏度。
    离散化式(3)得：
   
    参数自整定方法：每次计算QITAEn后与上次计算的QITAEn-1比较，根据QITAE的变化趋势对PID算法中的KP进行修正，修正周期一般取(5～10)T。具体修正算法如下：

    当QITAE趋于恒定时，PID自整定算法结束。

3 结束语
    根据电路老化试验箱的温度控制要求设计出的基于固态继电器的自整定PID恒温控制系统，具有设计方法简单可靠、使用方便、控制精度高的特点。此设计可应用于企业的电路老化试验箱新产品开发设计中，能取得了良好的控制效果，满足用户的产品需求，值得向广大企业推广应用。