溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，溫度是一個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。這種方法實現(xiàn)簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、達(dá)到穩(wěn)定點的時間長，因此，只能用在精度要求不高的場合。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，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)，對環(huán)境檢測具有極高的靈敏度，能夠?qū)崟r實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，且效率極高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    該溫度控制系統(tǒng)的前級采用LM35型模擬集成溫度傳感器來采集溫度信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過前級放大后送入ADS7886采樣輸出數(shù)字信號，將得到的數(shù)字信號送入單片機(jī)，單片機(jī)通過對采樣信號和用戶輸入信號的分析自動選取合適的PlD系數(shù)并計算出相應(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)動制冷片工作，從而實現(xiàn)木箱內(nèi)部溫度的自動控制，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計采用大屏幕點陣式LCD和按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，使得系統(tǒng)操作簡單快捷，同時LCD還可實時顯示測量得到的溫度值，并繪制出坐標(biāo)圖像，統(tǒng)計信息明確直觀。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 前級采樣電路
    LM35是電壓輸出型溫度傳感器，當(dāng)溫度在0 ℃時輸出電壓為零，當(dāng)電壓每上升1℃輸出電壓便增加10 mV。較小的電壓對A／D采樣的精度會造成比較高的影響。所以在LM35輸出端連接一個同相放大器?？紤]放大時的精度和對共模干擾信號抑制需要，這里選用精密高共模抑制比的運算放大器OPA277。由于實驗要求測量精度為0．1℃，要求在5～35℃范圍內(nèi)至少取樣300個點，因此，至少選用9位的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣才能滿足實驗要求，考慮到功能擴(kuò)展的需要，這里選用12位高精度的串口ADS7886來實現(xiàn)。

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

2．3 FPGA設(shè)計
    FPGA是該溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，在FPGA中實現(xiàn)加熱制冷切換控制模塊以及A／D采樣模塊2個核心部分，在加熱制冷控制切換模塊中，采用2個繼電器控制半導(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)換器對放大器OPA277的采樣過程。具體電路如圖4所示。由以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，溫度讀數(shù)精度可以達(dá)到0．1℃，同時設(shè)定的溫度讀數(shù)和最終結(jié)果最大偏離為1．1℃，說明該溫度自動控制系統(tǒng)精度較高。同時通過第2組數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)溫差大于15℃時達(dá)到指定溫度所需的時間只要148 s，說明該系統(tǒng)設(shè)計平衡溫度時間較短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)充分利用了FPGA的強(qiáng)大功能，將LCD接口電路，鍵盤接口電路，信號串并行轉(zhuǎn)換電路，以及DDS信號發(fā)生器全部構(gòu)建在內(nèi)部，使得硬件連接簡單明了，外部硬件只有2個模塊：溫度信號采集轉(zhuǎn)換模塊和制冷片驅(qū)動模塊。由于外設(shè)相對簡單，調(diào)試時候相當(dāng)方便，同時可以方便修改FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)對系統(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)計流程。

4 測試數(shù)據(jù)與分析
    考慮到外部環(huán)境的變化會對系統(tǒng)調(diào)溫造成一定干擾，因此將裝置放在裝有空調(diào)的實驗室進(jìn)行調(diào)試，同時為了精確測定木盒內(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)字溫度計同時對盒內(nèi)溫度進(jìn)行實時測量。表1給出了實際測試的比較結(jié)果。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(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系統(tǒng)也有很大影響。系統(tǒng)測量的誤差來源主要是溫度傳感器在測量溫度時存在非線性誤差，前級放大電路引入新的干擾，A／D采樣時帶來的量化誤差等。另外，由于后級功率控制電路中的光電耦合開關(guān)具有一定的功率損耗，導(dǎo)致控制加熱或升溫時間內(nèi)達(dá)不到設(shè)定的功率，以致溫度調(diào)節(jié)存在誤差。