CN115047925A - 一种基于pid控制器的被动辐射式恒温控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于野外地基台站常温环境下的需控温设备的控温、恒温和保温技术领域，具体地说，涉及一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，包括：温度采集电路、加热驱动电路、电源电路、USB数据采集卡和数据处理终端；将温度采集电路对微弱电压信号放大调理后实时采集，并将其输入通过USB数据采集卡输入至数据处理终端；数据处理终端对接收放大后的电压信号进行电压‑温度转换处理，得到实时采集的实际温度，利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，生成PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，根据预先设定好的目标温度，对需控温设备进行温度调节和温度恒定控制。
Description
技术领域
本发明属于野外地基台站常温环境下的需控温设备的控温、恒温和保温技术领域，具体地说，涉及一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***及控制方法。
背景技术
恒温是指在一定的环境下，用人工或自动控制方法保持需要进行控温的设备温度恒定不变，为了实现上述目的，需要用温度传感器实时测定该需要进行控温设备的温度的变化，然后采用加热器进行温度调节，使之始终保持一个恒温的温度。
随着科学技术的飞速发展和制造工艺的逐步提高，各种光电器件和精密仪器得到广泛应用；而光电器件和精密仪器在使用过程中，对使用环境的要求极为苛刻，尤其对环境温度的要求较高；需要在温度波动变化范围极小或者保持恒定的环境温度中才能正常工作。
温度的变化会引起需要控温的各个光学元件参数的变化，例如，温度变化引起棱镜折射率变化，导致光线出射角度的变化、光栅因温度热膨胀引起刻线密度的变化、干涉滤光片因温度减小或增大而导致其透射中心波长发生蓝移或红移等；这些光学元件的参数因温度而变化，并且会导致最终结果产生温度漂移。
光电器件在通过人工手动检测温度时，会存在不能实时检测环境温度，从而导致光电器件的工作性能和稳定性降低，影响输出结果精度。
目前，现有的恒温控制***在温度控制方面上能够达到的控制精度较差，而且现有的恒温控制***的体积大，成本高；此外，现有的恒温控制***中的恒温控制电路还存在稳定性和安全性较差的问题，且增加了光电器件、光学元件或精密仪器热效应造成的偏差。
为了对需控温***辅以温度控制的方式来尽可能减小光电器件、光学元件或精密仪器热效应造成的偏差，因此有必要发明一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，该***能够在常温环境下使需控温设备的温度始终保持在用户设定的目标温度±0.005℃范围内，该***包括：温度采集电路、加热驱动电路、电源电路、USB数据采集卡和数据处理终端；
电源电路分别与温度采集电路和加热驱动电路电性连接，为温度采集电路和加热驱动电路提供正常工作的工作电压；
温度采集电路和加热驱动电路分别与需控温设备通信连接，用于对需控温设备进行温度采集和温度控制；
温度采集电路、USB数据采集卡、加热驱动电路依次顺序通信连接，USB数据采集卡与数据处理终端通信连接；
将温度采集电路对需控温设备中的负温度系数热敏电阻输出的电阻信号转换为微弱电压信号，进行微弱电压信号放大调理后实时采集，并将放大调理后的电压信号输入至USB数据采集卡，USB数据采集卡将其输入至数据处理终端；
数据处理终端对接收的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，使需控温设备保持一个恒定的温度。
作为上述技术方案的改进之一，所述USB数据采集卡上设置有数字I/O针脚和A/D采样针脚，用于对放大后的电压信号进行读取、接收和转发；还用于根据输入的PWM信号占空比值，生成PWM信号，并将其发送至加热驱动电路。
作为上述技术方案的改进之一，所述温度采集电路包括：微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路；
所述微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路电性连接；
所述微弱电流恒流源子电路，用于提供温度采集电路中流过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2的微弱电流信号，并通过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2输出的电阻信号转化为微弱电压信号，得到对应的微弱电压信号；
所述电压信号放大调理子电路，用于对该微弱电压信号进行放大调理，得到放大调理后的电压信号，并将其输入至USB数据采集卡。
作为上述技术方案的改进之一，所述微弱电流恒流源子电路包括：三端可调电流源U5、微功率电压参考源D3、第一电阻R3和第二电阻R4；
第一电阻R3的一端、微功率电压参考源D3的一端和负温度系数热敏电阻RT1的一端共同与电压信号放大调理子电路连接，负温度系数热敏电阻RT1的另一端与弱电流地AGND连接，第一电阻R3的另一端、第二电阻R4的一端与三端可调电流源U5的可调引脚R连接，第二电阻R4的另一端、微功率电压参考源D3的另一端与三端可调电流源U5的负极性引脚V-连接，三端可调电流源U5的正极性引脚V+与电源电路+12V连接；
所述电压信号放大调理电路包括：第三电阻R5、第四电阻R6、第五电阻R7、第一钽电容C3、第二钽电容C5、第一瓷片电容C4、第二瓷片电容C6、第三瓷片电容C7、第四瓷片电容C8和仪表运算放大器U6；
第三电阻R5的一端与微弱电流恒流源子电路连接，第一钽电容C3的一端、第一瓷片电容C4的一端、仪表运算放大器U6的正极性引脚+VS均与电源电路+12V连接，第二钽电容C5的一端、第二瓷片电容C6的一端、仪表运算放大器U6的负极性引脚-VS均与电源电路-12V连接，
第三瓷片电容C7的一端分别与仪表运算放大器U6的同相输入端+VIN和第三电阻R5的另一端连接，第三瓷片电容C7的另一端与仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN连接，
第四电阻R6的两端与仪表运算放大器U6的增益引脚RG连接，第五电阻R7的一端、第四瓷片电容C8的一端均与USB数据采集卡的A/D采样针脚连接，仪表运算放大器U6的输出端OUTPUT与第五电阻R7的另一端连接；
第一钽电容C3的另一端、第二钽电容C5的另一端，第一瓷片电容C4的另一端、第二瓷片电容C6的另一端、第三瓷片电容C7的另一端、第四瓷片电容C8的另一端，仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN和参考电压端REF均接弱电流地AGND。
作为上述技术方案的改进之一，所述加热驱动电路包括：固态继电器U9、第六电阻R12、N沟道增强型场效应管T1、保险丝F1和加热电阻丝RS1-RS4；
第六电阻R12的一端、N沟道增强型场效应管T1的栅极G与USB数据采集卡的数字I/O针脚连接，N沟道增强型场效应管T1的漏极D与固态继电器U9的负极性控制引脚连接，
第六电阻R12的另一端、N沟道增强型场效应管T1的源极S接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性控制引脚均与电源电路+5V连接，
保险丝T1的一端与固态继电器U9的负极性负载接线引脚连接，保险丝T1的另一端接加热电阻丝RS1-RS4的一端，RS1-RS4的另一端接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性负载接线引脚与电源电路12V连接；
USB数据采集卡的数字I/O针脚输出的PWM信号，输入至加热驱动电路中N沟道增强型场效应管T1的栅极G；根据输入的PWM信号，对需控温设备进行温度调节，控制加热电阻丝RS1-RS4停止加热或开始加热，从而使需控温设备的实际温度降低或升高；
当实际温度高于目标温度时，PWM信号正占空比减小，负占空比增大，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为低电平时间高于为高电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间减短甚至截止，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间短，固态继电器U9的负极性控制引脚与正极性控制引脚接通电源5V，同时保持高电平，电路回路近似断开，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚及电源12V导通时间小于断开时间，此时，加热电阻丝加热减弱甚至停止，实际温度降低；
当实际温度低于目标温度时，PWM信号正占空比增大，负占空比减小，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为高电平的时间高于为低电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间增加，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间长甚至接通，固态继电器U9的负极性控制引脚与强电流地PGND接通并保持低电平，而正极性控制引脚与电源5V接通，保持高电平，形成电路回路，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚接通电源12V的时间增加，此时，流过加热电阻丝RS1-RS4的电流增大，加热增强，实际温度升高。
作为上述技术方案的改进之一，所述电源电路包括：第三钽电容C1、第四钽电容C2，电感L1，12V转±12V电源模块U1，12V转5V电源模块U2，第七电阻R1、第八电阻R2，第一发光二极管D1、第二发光二极管D2；
第三钽电容C1的一端、电感L1的一端均与电源接口JP1的正极1脚连接，并通过导线外接至外部12V适配器电源正极，
第四钽电容C2的一端、电感L1的另一端均与第一发光二极管D1的正极连接，12V转±12V电源模块U1的正极性输入端+Vin和12V转5V电源模块U2的正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的正极与12V转±12V电源模块U1的正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的负极与第七电阻R1的一端连接，
第二发光二极管D2的正极与12V转5V电源模块U2的5V输出端连接；
第三钽电容C1的另一端、第四钽电容C2的另一端，第七电阻R1的另一端、第八电阻R2的另一端、12V转±12V电源模块U1和12V转5V电源模块U2的负极性输入端-Vin均接强电流地PGND；
12V转±12V电源模块U1的正极性输出端输出+12V电压，12V转±12V电源模块U1的负极性输出端输出-12V电压，12V转±12V电源模块U1的输出公共端接弱电流地AGND。
作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理终端包括：信号接收模块、电压-温度转换模块、温度偏差获取模块、位置式PID控制器和数据显示与存储模块；
所述信号接收模块，用于接收USB数据采集控制器发送的放大后的电压信号；
所述电压-温度转换模块，用于对放大后的电压信号进行电压-温度转换，得到实际温度；
其中，T为实时采集的实际温度值；U为放大后的电压信号对应的经过平均值滤波处理后的电压值；I为流过负温度系数热敏电阻的电流；R25为25℃时负温度系数热敏电阻的电阻值；B为负温度系数热敏电阻的材料系数；
所述温度偏差获取模块，用于对目标温度和实际温度进行作差，二者的差值作为温度偏差，并将其输入至位置式PID控制器；
所述位置式PID控制器，用于根据接收的温度偏差，采用PID控制方式，计算得到PWM信号占空比，并将该PWM信号占空比值发送至USB数据采集卡；
其中，u(k)为控制器输出的控制量；e(i)为从控制开始时的第i次计算时实际温度与目标温度的偏差值；e(k)为本次实际温度与目标温度的偏差值；e(k-1)为上一次实际温度与目标温度的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；
所述数据显示与存储模块，用于对目标温度和实际温度的实时界面化显示，及控制过程中温度数据的存储，达到控制***可视化。
本发明还提供了一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制方法，该方法包括：
温度采集电路对需控温设备中负温度系数热敏电阻两端输出的电阻信号转换为对应的微弱电压信号，并进行实时采集，并对微弱电压信号放大调理后传输至USB数据采集卡；
USB数据采集卡将接收到温度采集电路所传输回的放大调理后的电压信号，将其通过USB通信传输至数据处理终端，
数据处理终端将接收到的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，同时实时监测用户界面所设定的目标温度；
利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差值，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成相应的PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，不断调整加热电阻丝两端的电压，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，同时对需控温设备中的温度实时显示和存储于数据处理终端中，使需控温设备保持一个恒定的温度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、外部100W-12V电源适配器输入，电源电路能够输出±12V稳压电压和5V稳压电压，电源指示灯作为电源可视化显示，电源电路正常工作时指示灯常亮；
2、负温度系数热敏电阻通过温度采集电路输出USB数据采集卡能够实时采集的电压信号；
3、加热驱动电路根据USB数据采集卡输出的PWM信号，实现加热电阻丝加热控制和温度调节；
4、USB数据采集卡采集温度采集电路输出的电压信号，根据位置式PID控制器计算出的PWM占空比值，生成PWM信号，并输入至加热驱动电路，从而控制加热驱动电路和加热电阻丝，并通过USB数据线与数据处理终端进行通信和数据交互；
5、数据处理终端通过运行基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的***程序，进行数据存储、可视化显示和人机交互；
6、本发明的恒温控制***对需控温设备辅以温度控制，来减小因热效应造成的偏差和影响，控制精度±0.005℃，具有需控温设备在常温下的高精度保温功能。
附图说明
图1为本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的结构示意图；
图2是本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的温度采集电路的结构示意图；
图3是本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的加热驱动电路的结构示意图；
图4是本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的USB数据采集卡的结构示意图；
图5是本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***的电源电路的结构示意图；
图6是本发明的一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制方法的方法流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，对需控温设备辅以温度控制的方式来减小光电器件、光学元件或精密仪器热效应造成的偏差，采用PID控制回路使需控温设备的外壳温度保持±0.005℃以内的控制精度，具有需控温设备在常温环境下仍具有高精度的保温功能。
该***包括：温度采集电路、加热驱动电路、电源电路、USB数据采集卡和数据处理终端；
电源电路分别与温度采集电路和加热驱动电路电性连接，为温度采集电路和加热驱动电路提供正常工作的工作电压；温度采集电路和加热驱动电路分别与需控温设备通信连接，用于对需控温设备进行温度采集和温度控制；
温度采集电路、USB数据采集卡、加热驱动电路依次顺序通信连接，USB数据采集卡与数据处理终端通信连接；
将温度采集电路实时采集需控温设备中负温度系数热敏电阻输出的电阻信号转换和放大调理后的电压信号输入至USB数据采集卡，USB数据采集卡将采集的电压信号输入至数据处理终端；
数据处理终端对接收的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，使需控温设备保持一个恒定的温度。
其中，所述USB数据采集卡具有数字I/O针脚和A/D采样针脚，用于对放大后的电压信号进行读取、接收和转发；还用于根据输入的PWM信号占空比，生成PWM信号，并将其发送至加热驱动电路。
如图2所示，所述温度采集电路包括：微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路；
所述微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路电性连接；
所述微弱电流恒流源子电路，用于提供温度采集电路中需控温设备中的流过负温度系数热敏电阻RT1或RT2的微弱电流信号，并通过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2的电阻值转化为电压值，得到对应的实时电压信号；其中，负温度系数热敏电阻是一个位于需控温设备之中，温度采集电路之外的温度传感器；具有将温度值转换为电阻值的功能，类似于一个电阻，其电阻值随着环境温度的变化而变化；该负温度系数热敏电阻与温度采集电路通过外接导线连接。
所述电压信号放大调理子电路，用于对该电压信号进行放大，得到放大后的电压信号，并将其输入至USB数据采集卡。
具体地，所述微弱电流恒流源子电路包括：三端可调电流源U5、微功率电压参考源D3、第一电阻R3和第二电阻R4；
第一电阻R3的一端、微功率电压参考源D3的一端和负温度系数热敏电阻RT1的一端共同与电压信号放大调理子电路连接，负温度系数热敏电阻RT1的另一端与弱电流地AGND连接，第一电阻R3的另一端、第二电阻R4的一端与三端可调电流源U5的可调引脚R连接，第二电阻R4的另一端、微功率电压参考源D3的另一端与三端可调电流源U5的负极性引脚V-连接，三端可调电流源U5的正极性引脚V+与电源电路+12V连接；
所述电压信号放大调理电路包括：第三电阻R5、第四电阻R6、第五电阻R7、第一钽电容C3、第二钽电容C5、第一瓷片电容C4、第二瓷片电容C6、第三瓷片电容C7、第四瓷片电容C8和仪表运算放大器U6；
第三电阻R5的一端与微弱电流恒流源子电路连接，第一钽电容C3的一端、第一瓷片电容C4的一端、仪表运算放大器U6的正极性引脚+VS均与电源电路+12V连接，第二钽电容C5的一端、第二瓷片电容C6的一端、仪表运算放大器U6的负极性引脚-VS均与电源电路-12V连接，
第三瓷片电容C7的一端分别与仪表运算放大器U6的同相输入端+VIN和第三电阻R5的另一端连接，第三瓷片电容C7的另一端与仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN连接，
第四电阻R6的两端与仪表运算放大器U6的增益引脚RG连接，第五电阻R7的一端、第四瓷片电容C8的一端均与USB数据采集卡的A/D采样针脚连接，仪表运算放大器U6的输出端OUTPUT与第五电阻R7的另一端连接；
第一钽电容C3的另一端、第二钽电容C5的另一端，第一瓷片电容C4的另一端、第二瓷片电容C6的另一端、第三瓷片电容C7的另一端、第四瓷片电容C8的另一端，仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN和参考电压端REF均接弱电流地AGND。
温度采集电路通过微弱电流恒流源子电路提供温度采集电路中流过负温度系数热敏电阻RT1或RT2的微弱电流信号，并通过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2输出的电阻信号转化为微弱电压信号，得到对应的实时微弱电压信号，利用电压放大调理电路对电压信号调理后，得到放大调理后的电压信号，并将其输入至USB数据采集卡，得到当前温度下负温度系数热敏电阻RT1或RT2的电压信号，数据处理终端根据负温度系数热敏电阻的电压-温度转换公式和当前温度下负温度系数热敏电阻对应的电压值计算，得到实时采集的实际温度。其中，电压温度转换是在数据处理终端计算的，输入数据处理终端的只是实时采集温度对应的电压信号，而非实际温度；数据处理终端获得电压信号后才进行电压温度转换，进而获得实际温度。
如图3所示，所述加热驱动电路包括：固态继电器U9、第六电阻R12、N沟道增强型场效应管T1、保险丝F1和加热电阻丝RS1-RS4；
第六电阻R12的一端、N沟道增强型场效应管T1的栅极G均与USB数据采集卡的数字I/O针脚连接，N沟道增强型场效应管T1的漏极D与固态继电器U9的负极性控制引脚连接，
第六电阻R12的另一端、N沟道增强型场效应管T1的源极S接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性控制引脚均与电源电路+5V连接，
保险丝T1的一端与固态继电器U9的负极性负载接线引脚连接，保险丝T1的另一端接加热电阻丝RS1-RS4的一端，RS1-RS4的另一端均接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性负载接线引脚与电源电路12V连接；
USB数据采集卡的数字I/O针脚输出的PWM信号，输入至加热驱动电路中N沟道增强型场效应管T1的栅极G；根据输入的PWM信号，对需控温设备进行温度调节，控制加热电阻丝RS1-RS4的加热程度，从而使需控温设备的实际温度降低或升高；
当实际温度高于目标温度时，PWM信号正占空比减小，负占空比增大，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为低电平的时间高于为高电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间减短甚至截止，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间短，固态继电器U9的负极性控制引脚与正极性控制引脚接通电源5V，同时保持高电平，电路回路近似断开，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚及电源12V导通时间小于断开时间，此时，加热电阻丝加热减弱甚至停止，实际温度降低；
当实际温度低于目标温度时，PWM信号正占空比增大，负占空比减小，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为高电平的时间高于为低电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间增加，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间长甚至接通，固态继电器U9的负极性控制引脚与强电流地PGND接通并保持低电平，而正极性控制引脚与电源5V接通，保持高电平，形成电路回路，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚接通电源12V的时间增加，此时，流过加热电阻丝RS1-RS4的电流增大，加热增强，实际温度升高。
加热驱动电路由USB数据采集卡的数字I/O针脚输出PWM(Pulse-WidthModulation，脉冲宽度调制)信号控制，PWM信号占空比大，固态继电器U9的开关导通程度大，加载在加热电阻丝两端的电压高，温度升高变化快；PWM信号占空比小，固态继电器U9的开关导通程度小，加载在加热电阻丝两端的电压低，温度升高变化慢；
所述保险丝T1，用于限定加热回路最大电流，加热回路电流超过保险丝T1的额定电流时，保险丝T1熔断，切断加热回路，停止加热工作。
如图4所示，USB数据采集卡采用M304066，M304066由USB供电和与数据处理终端(在本实施例中，该数据处理终端为计算机)通信，采样频率大于50KHz，具有16个多功能的I/O针脚，上述16个I/O针脚可配置为不同的数字输入、数字输出和模拟输入，M304066包含2个32位计数器和2个定时器，可用于脉冲计数、定时和PWM信号输出，内置2个12位ADC(Analog-Digital Converter，模拟数字转换)模拟输入和2个10位DAC(Digital-AnalogConverter，数字模拟转换)模拟输出，ADC模拟输入可配置为单端输入和差动输入两种模式；USB数据采集卡用于接收和读取温度采集电路输出的电压信号、输出PWM信号控制加热驱动电路和通过USB与数据处理终端进行通信和数据交互。
如图5所示，所述电源电路包括：第三钽电容C1、第四钽电容C2，电感L1，12V转±12V电源模块U1，12V转5V电源模块U2，第七电阻R1、第八电阻R2，第一发光二极管D1、第二发光二极管D2；
第三钽电容C1的一端、电感L1的一端均与电源接口JP1的正极1脚连接，并通过导线外接至外部12V适配器电源正极，
第四钽电容C2的一端、电感L1的另一端均与第一发光二极管D1的正极连接，12V转±12V电源模块U1正极性输入端+Vin和12V转5V电源模块U2的正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的正极与12V转±12V电源模块U1正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的负极与第七电阻R1的一端连接，
第二发光二极管D2的正极与12V转5V电源模块U2的5V输出端连接；
第三钽电容C1的另一端、第四钽电容C2的另一端，第七电阻R1的另一端、第八电阻R2的另一端、12V转±12V电源模块U1和12V转5V电源模块U2的负极性输入端-Vin均接强电流地PGND；
12V转±12V电源模块U1的正极性输出端输出+12V电压，12V转±12V电源模块U1的负极性输出端输出-12V电压，12V转±12V电源模块U1的输出公共端接弱电流地AGND。
基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***中，强电流地PGND和弱电流地AGND通过USB数据采集卡进行内部共地连接。
所述电源电路采用100W-12V适配器电源供电；12V转±12V电源模块U1输出双极性直流稳压±12V，提供温度采集电路正常工作电压±12V；12V转5V电源模块U2输出单极性直流稳压5V，提供加热驱动电路中固态继电器的控制电压5V。
所述电源电路包括12V电源指示灯电路和5V电源指示灯电路，电源指示灯电路为电源电压正常输入和输出时的可视化显示电路，电源电路正常工作时指示灯常亮。
所述数据处理终端包括：信号接收模块、电压-温度转换模块、温度偏差获取模块、数据显示与存储模块和位置式PID控制器；
所述信号接收模块，用于接收USB数据采集控制器发送的放大后的电压信号；
所述电压-温度转换模块，用于对放大后的电压信号进行电压-温度转换，得到实际温度；其中，电压-温度值转换为负温度系数热敏电阻温度传感器的转换；
其中，T为实时采集的实际温度值；U为放大后的电压信号对应的经过平均值滤波处理后的电压值；I为流过负温度系数热敏电阻的电流；R25为25℃时负温度系数热敏电阻的电阻值；B为负温度系数热敏电阻的材料系数；
温度电压数据的读取是通过USB数据采集卡读取负温度系数热敏电阻经温度采集电路后的电压值，算术平均值滤波是对电压值取30个数据求取平均值作为实际温度相应的电压值，是对电压数据的处理，减弱因ADC转换采样中引入的噪声，使电压数据变化平缓。
所述温度偏差获取模块，用于对目标温度和实际温度进行作差，二者的差值作为温度偏差，并将其输入至位置式PID控制器；其中，温度偏差计算是用目标温度减去实际温度得到，温度偏差值大于零，实际温度小于目标温度，温度偏差值小于零，实际温度大于目标温度。
所述数据显示与存储模块，用于对目标温度和实际温度的实时界面化显示，及控制过程中温度数据的存储，达到控制***可视化。
所述位置式PID控制器，用于根据接收的温度偏差，采用PID控制方式，计算得到PWM信号占空比，并将该PWM信号占空比值发送至USB数据采集卡；
其中，u(k)为控制器输出的控制量；e(i)为从控制开始时第i次计算时实际温度与目标温度的偏差值；e(k)为本次实际温度与目标温度的偏差值；e(k-1)为上一次实际温度与目标温度的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。
其中，采用位置式PID算法对需控温的恒温控制***进行闭环控制。上述公式(2)中，第一项为比例项，对温度偏差做出瞬间反应，温度偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使实际温度向减少偏差的方向变化；第二项为积分项，可以消除控制***的温度偏差，只要***存在温度偏差，积分项的控制作用就不断增加，只有***温度偏差为零，积分项控制作用才是一个不变的常数；第三项为微分项，能够加快控制器调节过程，能够根据温度偏差变化趋势预先给出适当的纠正。
在本实施例中，数据处理终端为计算机，则该计算机用于需控温设备的恒温控制***程序运行、目标温度设定、实际温度存储和可视化显示。
USB数据采集卡控制器参数初始化包括加载USB数据采集卡所需的动态链接库和打开USB数据采集卡控制器，USB数据采集卡控制器的针脚配置包括模拟I/O和数字I/O配置、使能数字I/O口的定时器模式、禁用数字I/O口的计数器模式、配置定时器的基时钟频率为48MHz、配置定时器的分频系数为1和设置定时器模式为16位PWM输出模式，最终PWM信号的频率为732Hz。
位置式PID控制器参数初始化包括比例项系数设定、积分项系数设定和微分项系数设定。
基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***中，PWM信号输出是根据位置式PID控制器计算出PWM占空比值，通过USB数据采集卡控制器输出PWM信号送给加热驱动电路控制加热电阻丝加热需控温***。
基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***中，温度数据存储是将需控温***实时温度数据存储于计算机中，每天自动创建一个文件对温度数据进行存储。
基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***中，界面程序设计包括程序运行、程序退出、目标温度设定、实时温度显示程序设计。
基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***具有如下特点：
1、总控制电路采用适配器电源提供低噪声和稳定的工作电压；此处的控制电路是指，集成了温度采集电路、加热驱动电路和电源电路及USB数据采集卡为一体的总控制电路。
2、使用负温度系数热敏电阻读取需控温设备的温度数据，具有高的灵敏度；
3、采用USB数据采集卡进行温度读取和加热控制，操作简单，易上手使用；
4、计算机控制程序界面可视化，实时温度数据记录存储和人机交互；
5、***控制精度±0.005℃，具有需控温设备在常温下的高精度保温功能，且能够进行自适应温度控制。
如图6所示，本发明还提供了一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制方法，该方法包括：
温度采集电路对需控温设备中的负温度系数热敏电阻输出的电阻信号转换为微弱电压信号，进行微弱电压信号放大调理后实时采集，并将放大调理后的电压信号输入至USB数据采集卡；
USB数据采集卡将接收到温度采集电路所传输回的放大调理后的电压信号，将其通过USB通信传输至数据处理终端，同时USB数据采集卡根据数据处理终端所计算出的PWM信号占空比值生产相应的PWM信号，传输至加热驱动电路；
加热驱动电路接收到USB数据采集卡所产生的PWM信号，并根据PWM信号控制加热电阻丝两端的电压，进而控制需控温设备中加热电阻丝的温度；
电源电路根据外部12V电源适配器输入的12V电源电压，产生温度采集电路中各电子元件正常工作的±12V电压和加热驱动电路中固态继电器的5V控制电压，并提供加热电阻丝两端0-12V电压；
数据处理终端对USB数据采集卡进行功能配置和参数初始化，同时初始化PID算法中比例、积分和微分各项系数；
将接收到的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，同时实时监测用户界面所设定的目标温度；
利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差值，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，不断调整加热电阻丝两端的电压，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，同时对需控温设备中的温度实时显示和存储于数据处理终端中，使需控温设备保持一个恒定的温度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，该***包括：温度采集电路、加热驱动电路、电源电路、USB数据采集卡和数据处理终端；
电源电路分别与温度采集电路和加热驱动电路电性连接，为温度采集电路和加热驱动电路提供正常工作的工作电压；
温度采集电路和加热驱动电路分别与需控温设备通信连接，用于对需控温设备进行温度采集和温度控制；
温度采集电路、USB数据采集卡、加热驱动电路依次顺序通信连接，USB数据采集卡与数据处理终端通信连接；
将温度采集电路对需控温设备中的负温度系数热敏电阻输出的电阻信号转换为微弱电压信号，进行微弱电压信号放大调理后实时采集，并将放大调理后的电压信号输入至USB数据采集卡，USB数据采集卡将其输入至数据处理终端；
数据处理终端对接收的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，使需控温设备保持一个恒定的温度。
2.根据权利要求1所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述USB数据采集卡上设置有数字I/O针脚和A/D采样针脚，用于对放大后的电压信号进行读取、接收和转发；还用于根据输入的PWM信号占空比值，生成PWM信号，并将其发送至加热驱动电路。
3.根据权利要求2所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述温度采集电路包括：微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路；
所述微弱电流恒流源子电路和电压信号放大调理子电路电性连接；
所述微弱电流恒流源子电路，用于提供温度采集电路中流过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2的微弱电流信号，并通过需控温设备中的负温度系数热敏电阻RT1或RT2输出的电阻信号转化为微弱电压信号，得到对应的微弱电压信号；
所述电压信号放大调理子电路，用于对该微弱电压信号进行放大调理，得到放大调理后的电压信号，并将其输入至USB数据采集卡。
4.根据权利要求3所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述微弱电流恒流源子电路包括：三端可调电流源U5、微功率电压参考源D3、第一电阻R3和第二电阻R4；
第一电阻R3的一端、微功率电压参考源D3的一端和负温度系数热敏电阻RT1的一端共同与电压信号放大调理子电路连接，负温度系数热敏电阻RT1的另一端与弱电流地AGND连接，第一电阻R3的另一端、第二电阻R4的一端与三端可调电流源U5的可调引脚R连接，第二电阻R4的另一端、微功率电压参考源D3的另一端与三端可调电流源U5的负极性引脚V-连接，三端可调电流源U5的正极性引脚V+与电源电路+12V连接；
所述电压信号放大调理电路包括：第三电阻R5、第四电阻R6、第五电阻R7、第一钽电容C3、第二钽电容C5、第一瓷片电容C4、第二瓷片电容C6、第三瓷片电容C7、第四瓷片电容C8和仪表运算放大器U6；
第三电阻R5的一端与微弱电流恒流源子电路连接，第一钽电容C3的一端、第一瓷片电容C4的一端、仪表运算放大器U6的正极性引脚+VS均与电源电路+12V连接，第二钽电容C5的一端、第二瓷片电容C6的一端、仪表运算放大器U6的负极性引脚-VS均与电源电路-12V连接，
第三瓷片电容C7的一端分别与仪表运算放大器U6的同相输入端+VIN和第三电阻R5的另一端连接，第三瓷片电容C7的另一端与仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN连接，
第四电阻R6的两端与仪表运算放大器U6的增益引脚RG连接，第五电阻R7的一端、第四瓷片电容C8的一端均与USB数据采集卡的A/D采样针脚连接，仪表运算放大器U6的输出端OUTPUT与第五电阻R7的另一端连接；
第一钽电容C3的另一端、第二钽电容C5的另一端，第一瓷片电容C4的另一端、第二瓷片电容C6的另一端、第三瓷片电容C7的另一端、第四瓷片电容C8的另一端，仪表运算放大器U6的反相输入端-VIN和参考电压端REF均接弱电流地AGND。
5.根据权利要求2所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述加热驱动电路包括：固态继电器U9、第六电阻R12、N沟道增强型场效应管T1、保险丝F1和加热电阻丝RS1-RS4；
第六电阻R12的一端、N沟道增强型场效应管T1的栅极G均与USB数据采集卡的数字I/O针脚连接，N沟道增强型场效应管T1的漏极D与固态继电器U9的负极性控制引脚连接，
第六电阻R12的另一端、N沟道增强型场效应管T1的源极S接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性控制引脚均与电源电路+5V连接，
保险丝T1的一端与固态继电器U9的负极性负载接线引脚连接，保险丝T1的另一端接加热电阻丝RS1-RS4的一端，RS1-RS4的另一端均接强电流地PGND，固态继电器U9的正极性负载接线引脚与电源电路12V连接；
USB数据采集卡的数字I/O针脚输出的PWM信号，输入至加热驱动电路中N沟道增强型场效应管T1的栅极G；根据输入的PWM信号，对需控温设备进行温度调节，控制加热电阻丝RS1-RS4的加热程度，从而使需控温设备的实际温度降低或升高；
当实际温度高于目标温度时，PWM信号正占空比减小，负占空比增大，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为低电平的时间高于为高电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间减短甚至截止，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间短，固态继电器U9的负极性控制引脚与正极性控制引脚接通电源5V，同时保持高电平，电路回路近似断开，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚及电源12V导通时间小于断开时间，此时，加热电阻丝加热减弱甚至停止，实际温度降低；
当实际温度低于目标温度时，PWM信号正占空比增大，负占空比减小，N沟道增强型场效应管T1的栅极G为高电平的时间高于为低电平的时间，N沟道增强型场效应管T1导通时间增加，N沟道增强型场效应管T1的源极S和漏极D导通时间长甚至接通，固态继电器U9的负极性控制引脚与强电流地PGND接通并保持低电平，而正极性控制引脚与电源5V接通，保持高电平，形成电路回路，致使固态继电器U9的负极性负载接线引脚与正极性负载接线引脚接通电源12V的时间增加，此时，流过加热电阻丝RS1-RS4的电流增大，加热增强，实际温度升高。
6.根据权利要求1所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述电源电路包括：第三钽电容C1、第四钽电容C2，电感L1，12V转±12V电源模块U1，12V转5V电源模块U2，第七电阻R1、第八电阻R2，第一发光二极管D1、第二发光二极管D2；
第三钽电容C1的一端、电感L1的一端均与电源接口JP1的正极1脚连接，并通过导线外接至外部12V适配器电源正极，
第四钽电容C2的一端、电感L1的另一端均与第一发光二极管D1的正极连接，12V转±12V电源模块U1的正极性输入端+Vin和12V转5V电源模块U2的正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的正极与12V转±12V电源模块U1的正极性输入端+Vin连接，第一发光二极管D1的负极与第七电阻R1的一端连接，
第二发光二极管D2的正极与12V转5V电源模块U2的5V输出端连接；
第三钽电容C1的另一端、第四钽电容C2的另一端，第七电阻R1的另一端、第八电阻R2的另一端、12V转±12V电源模块U1和12V转5V电源模块U2的负极性输入端-Vin均接强电流地PGND；
12V转±12V电源模块U1的正极性输出端输出+12V电压，12V转±12V电源模块U1的负极性输出端输出-12V电压，12V转±12V电源模块U1的输出公共端接弱电流地AGND。
7.根据权利要求1所述的基于PID控制器的被动辐射式恒温控制***，其特征在于，所述数据处理终端包括：信号接收模块、电压-温度转换模块、温度偏差获取模块、位置式PID控制器和数据显示与存储模块；
所述信号接收模块，用于接收USB数据采集控制器发送的放大后的电压信号；
所述电压-温度转换模块，用于对放大后的电压信号进行电压-温度转换，得到实际温度；
其中，T为实时采集的实际温度值；U为放大后的电压信号对应的经过平均值滤波处理后的电压值；I为流过负温度系数热敏电阻的电流；R25为25℃时负温度系数热敏电阻的电阻值；B为负温度系数热敏电阻的材料系数；
所述温度偏差获取模块，用于对目标温度和实际温度进行作差，二者的差值作为温度偏差，并将其输入至位置式PID控制器；
所述位置式PID控制器，用于根据接收的温度偏差，采用PID控制方式，计算得到PWM信号占空比，并将该PWM信号占空比值发送至USB数据采集卡；
其中，u(k)为控制器输出的控制量；e(i)为从控制开始时的第i次计算时实际温度与目标温度的偏差值；e(k)为本次实际温度与目标温度的偏差值；e(k-1)为上一次实际温度与目标温度的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；
所述数据显示与存储模块，用于对目标温度和实际温度的实时界面化显示，及控制过程中温度数据的存储，达到控制***可视化。
8.一种基于PID控制器的被动辐射式恒温控制方法，该方法包括：
温度采集电路对需控温设备中的负温度系数热敏电阻输出的电阻信号转换为微弱电压信号，进行微弱电压信号放大调理后实时采集，并将放大调理后的电压信号输入至USB数据采集卡，USB数据采集卡将其输入至数据处理终端；
USB数据采集卡将接收到温度采集电路所传输回的放大调理后的电压信号，将其通过USB通信传输至数据处理终端，
数据处理终端将接收到的放大调理后的电压信号进行平均值滤波，获得波动小、噪声低的电压信号，对该电压信号进行电压-温度转换处理，得到实时采集的实际温度，同时实时监测用户界面所设定的目标温度；
利用目标温度和实时采集的实际温度的偏差值，并采用PID控制方式进行闭环控制，得到PWM信号占空比值，并将其发送至USB数据采集卡，通过USB数据采集卡，生成相应的PWM信号，再将其输入至加热驱动电路，加热驱动电路根据预先设定好的目标温度和接收的PWM信号，不断调整加热电阻丝两端的电压，对需控温设备进行温度调节、加热升温、加热控制和温度恒定控制，同时对需控温设备中的温度实时显示和存储于数据处理终端中，使需控温设备保持一个恒定的温度。
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