数位化温度控制器设计

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1、數位化溫度控制器設計DesignofdigitalTemperatureController黃全富、巫信輝、江士標國立中央大學機械所通訊地址︰中壢市五權里中央大學國科會補助編號︰NSC89-2622-E-008-003摘要：本文是以數位訊號處理器DSP（DigitalSingalProcessor）之核心架構為主體的數位式溫度控制器開發，而其主要分為硬體電路與軟體程式兩部分來完成。而就硬體電路來看分為量測電路模組、DSP周邊電路及RS232通訊模組、輸出模組三個部分，其中在輸出上可分為電流輸出、電壓輸出以及binarycommand給加熱驅動裝置,R

2、S232除了可以與PC聯絡外也可以與具有CPU的熱能驅動器做命令傳輸。在計畫中分析現有工業用加熱驅動裝置和溫度曲線的關係，並瞭解其控制情況。軟體方面即是溫控器之中央處理器程式，亦即DSP控制程式，其中包括控制理論、感測器線性轉換程式、I/O介面及通訊協定相關程式。在控制法則上，提出一個新的加熱體描述模型，然後以前饋控制為主並輔以PID控制，得到不錯的控制結果。關鍵字：溫度控制器、感測器、數位訊號處理、PID、前饋控制。1.簡介DSP是近年來專為數位訊號處理所開發的處理器，而它與一般處理器最大的優點是運算速度快，所以可以應用於需要大量運算且需處理速度快

3、的用途，而本溫控器亦是採用DSP晶片為核心的架構，目的也是為了應映自動調整時所需的大量運算，以及利用其本身所提供的序列埠來達成通訊功能。也因為其運算速度快，故日後溫控器的核心控制PID理論便可以更新成更先進的理論，例如系統鑑別的方式等。不僅擴充性大，並且可用來驗證理論的可行性及實用性。因為畢竟軟體比硬體來的容易變更或改良。本研究計畫成果已完成溫控器硬體電路與軟體程式撰寫，並實際上機測試其系統的穩定性及溫度控制的結果。而在控制法則上我們提出一個新的加熱體描述模型，並且已經找出了系統的參數，所以在控制法則上我們則選用前饋控制法，然後再輔以PID控制，，並

4、且對各方法實際作控制，分析其結果，得到不錯的控制效果。2溫度控制系統硬體架構在設計控制器之前，我們必須先對整體架構作分析，然後訂出所需的規格，根據所訂定的規格才能做到模組化的設計。2.1系統架構控制器主要是以DSP為核心，加上週邊的數位及類比電路而構成。而數位電路主要功能在顯示、調整、傳輸與記憶等功能，類比電路的主要功能則是作感測器訊號的處理與輸出的驅動電路。如圖一為其系統硬體架構圖。2.2感測器在感測器的使用上，我們主要以熱電偶與RTD為主，輔以熱敏電阻來使熱電偶作冷接點補償。接下圖一系統硬體架構圖來我們將分別說明感測器的特性並討論其改良方法。2.

5、2.1熱電偶一般工業上在量測溫度時，主要以熱電偶做為溫度計使用，因為其可量測的溫度範圍較廣，從數百度到一千多度之間皆可，適合於中高溫量測。而其量測的原理是在1822年席貝克博士所發現的，所以稱為席貝克效應或熱電效應。如圖二發現為兩種不同金屬連接在一起，而形成一個閉迴路，將其兩端產生一個溫度差，則在迴路裡就會有電流通過，而溫度較高的接點稱為熱接點(hotjunction)，溫度較低的點稱為冷接點(coldjunction)。一般在量測時我們接將熱接點至於「測溫處」，然後在根據所量測到的直流訊號與冷接點作冷接點補償。圖二熱電偶的席貝克效應熱電偶的熱電動勢

6、，是依據測量點與冷接點的溫度差而決定的，一般量測時，從量測點到基準點有相當的長度，若用一般的銅線來連接的話，又因為兩端點有溫度差而又形成一個新的熱電偶電路，所以一般使用熱電偶材料性質相近的補償導線以減少誤差。但是還有一誤差需要補償，即所謂的冷接點補償，在本溫控器所使用的補償方式為電路補償法。如圖三所示，使用一個自我補償電路，利用對溫圖三電路設計冷接點補償法度敏感的熱敏電阻(溫度範圍在-10C~70C)，將其接於熱電偶的冷接點端，如此便可測出冷接點溫度，依溫度轉換得到冷接點熱電動勢，然後將熱電偶的熱電動勢作軟體補償，透過線性轉換的方式將補償後的熱電動勢

7、轉換成對應的溫度，即可對此值作控制法則的運算。而表為熱電偶的特性，在本溫控器先以Ktype為發展，若日後需應用其他type的熱電偶，則只需將線性轉換表更新為該型式的熱電偶線性轉換表即可。圖四可解釋了整體的熱電偶感應架構。圖四熱電偶感應架構由於熱電偶的訊號相當小，所以在量測時是利用差動式的電壓量測法，這個方法是利用一個差動放大器以量測2條信號導線電壓的差值，而差動式電壓量測提供較大的抗雜訊能力，如圖五描繪出熱電偶量測與差動式放大器的連接方式。10K歐母電阻介於低電位端及接地，雖然放大器量測兩個輸入點之間的電位差，放大器的輸入端至少要有一個接地路徑。這個

8、電路提供了放大器偏壓電流的路徑，若沒有安裝或阻值太高則放大器的偏壓電流將會使其輸入達到供應電源的準位，並超過