基于USB2.0多功能数据采集卡的室内温度自动控制系统设计
摘 要：为了实现高精度的室内温度控制,设计了一种以USB2.0多功能数据采集卡为控制核心的温度控制系统并进行了相关测试。该系统采用温度传感器AD590K对室温进行测量，采用分段线性加PI积分分离控制算法进行温度控制。实验表明，这种控制方式可以减小超调量，提高温度控制精度。该系统可以用于对气温控制要求较高的场合。
关键词：USB2.0；AD590K；温度控制
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）001-0157-03
1 总体设计方案
为了便于实验研究和测试，设计了一个室内温度控制系统，其控制对象为1立方米密封箱体，箱体采用双层结构制成，外层采用内贴保温材料的三合板，内层采用真空有机玻璃，以达到良好的保温效果。该系统温度可以在一定范围内由人工设定并实现自动调整, 以保持设定的温度基本不变。
该系统实现的主要目的如下：①温度设定范围为4~50℃；②稳态下温度的波动能控制在±1℃以内；③采取有效的控制方法，当设定温度突变（由30℃降低到15℃或由15℃升高到30℃）时, 减小系统的调节时间和超调量；④定温度发生突变（由29 ℃ 降低到12℃ ）时，自动显示/记录温度变化的时间曲线。
1.1 系统的硬件结构
系统硬件（系统硬件原理如图1所示）分为温度采集模块、核心控制模块、显示控制模块、制冷片驱动模块、电源驱动模块等。其工作原理是：温度传感器AD590K根据环境温度产生电流信号，此信号被送入电流-电压转换电路，转变为电压信号，并进行调理，然后送到USB2.0多功能数据采集卡进行A/D转换。数据采集卡上具有10位A/D转换模块和相应的控制模块，根据它的硬件环境和良好的编程环境而设计的电路可以将AD590K采集的数据转换为符合要求的数据，并对这些数据进行判断和处理，然后在计算机上显示出测得的数据。接着判断电路应该工作的状态，经过数据采集卡上的I/O端口控制驱动电路（开关电路），从而驱动半导体制冷片工作，最终达到温度自动控制的目的。
图1 系统硬件原理
1.2 各单元模块的设计
（1）温度采集模块
温度采集模块电路图如图2所示：
图2 温度采集模块电路
温度采集部分采用具有较高精度和重复性的AD590K 传感器，AD590是集成恒流型的测温器件，具有测温误差小、动态电阻高、响应速度快、微功耗、传输距离远、体积小等优点，适合远距离测温和控温，非线性误差为±0.3℃，通过软件插值算法非线性补偿，可以达到±0.1℃测量精度。测试时,加上软件非线性补偿可实现高精度测量。
温度采集电路采用两级运放将采集的数据进行处理，最终满足我们USB2.0板卡A/D采集的要求（0—3.3V）。第一级运放为电流—电压转换电路，得到的电压和温度的关系式为Vo=(2.732+T/100)V，第二级运放采用差分比例运算电路，将温度和电压转换成线性关系Vo=(T/20)V，则0℃~50℃的相应电压范围是0.000V~2.500V，然后将电压送至数据采集卡进行采集。
（2）核心控制模块
核心控制模块我们采用USB2.0多功能数据采集卡，它将采集、控制、驱动等功能集成一体，安装和配置容易（外接、热插拔、即插即用），并且编程简单，控制操作方便，总线供电、工作稳定、性价比优，非常适合学校教学科研采用，本设计USB数据采集卡将传感检测放大电路输出的8路电压信号分别进行A/D转换后，送入计算机进行分析处理。
（3）显示控制模块
通过LabVIEW编程开发基于计算机屏幕的软面版对电路进行控制和数据显示非常方便和直接，且还可以利用计算机进行声光报警，使整个电路智能化。
（4）制冷片驱动模块
制冷片的驱动模块主要考虑控制电路输出的数字控制信号能否控制制冷片的工作与否，考虑到负载需要很大的电流，最终的输出驱动电路的内阻要求必须很小。经试验比对，最终选择输出电阻最大8毫欧、最大电流可达到100A的HRF3205场效应管，其开启电压在 3到 4V之间，标准信号有函数信号发生器（不行到10V得到时候可以）提供，直流源在4V的时候导通，接入三极管调理电路后，函数信号发生器提供的信号工作良好。电路图如图3所示：
图3 制冷片驱动电路
（5）电源驱动模块
本系统中的电源驱动模块有两个。一个是为控制部分提供合适的电压，另外一个是专门为半导体制冷片提供其工作的电压和电流。控制部分驱动电路采用78xx系列和79xx系列稳压器件稳压得到，输出参数有±12V和±5V。另外单独采用大功率开关电源对半导体制冷片提供电源。
电路图如图4所示：
图4 控制部分电源驱动
1.3 控制算法
在室内温度控制系统中，采用单纯的PID 控制始终具有较大的超调，而一旦出现气温超调，只能靠制冷片反向工作调整，这就使得调节时间大大延长，且耗能。因此，要缩短气温控制系统中的调节时间，就必须做到基本无超调。本设计分段线性加PI积分分离控制算法进行温度控制。
2 系统软件设计
2.1 软件主要功能设计
①温度设定 设定控制温度为4~ 50℃；②控制参数设定 温度实时控制采用了分段线性和PI积分分离控制算法。把非线性特性曲线分成若干个区段，在每个区段中用直线近似地代替特性曲线，这种处理方式称为分段非线性化。PI 积分分离控制算法是对常规PI控制算法的改进，该方法的实质是：当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，以免积分作用使系统稳定性减弱，超调量加大；当被控量接近设定值时，加入积分作用，以便消除静差，提高控制精度；③报警门限设置与报警 通过软面板设定报警的上下限开关, 报警启动后, 程序依据设置进行报警处理；④传感器的非线性补偿 为了获得±0.1℃ 的控制精度，温度的测量精度必须优于±0.1℃。利用软件中设有的分段差值程序，对AD590K的信号进行非线性补偿以获得±0.1℃的测量精度。
程序流程图如图5 所示。
图5 系统主程序流程
系统开始工作时，温度传感器采集的温度转变为电压信号送入数据采集卡，然后由数据采集卡对信号进行处理，显示当前的温度并绘制温度-时间曲线。然后系统会判断当前温度与设定的温度是否相等，相等则无动作，不相等则控制外部模块工作，直至到所需要的温度，达到温度自动控制。
2.2 软件开发平台的选择
本系统采用虚拟仪器软件LabVIEW创建上位机操作程序，LabVIEW是一款优秀的G语言开发工具，它是专业化虚拟仪器开发语言，其运行速度与C的目标程序相当，开发周期短，编程简单易学，这里，由它设计开发的可视化程序完成现场数据采集、实时和历史数据处理、系统参数设置、控制算法选择及动画显示等功能。上位机操作程序如图6 所示：
图6 上位机操作程序框
3 系统测试记录与调试结论
表1 温度测试记录（℃）
室温[]盒内温度[]测试最低温度[]测试最高温度
28.6[]29.4[]4.3[]>35
27.7[]28.7[]4.4[]>35
27.9[]29.1[]4.4[]>35
在测量过程中能随意控制温度，能步进0.1℃，分辨率能达到0.1℃，达到稳定状态后盒内温度的波动能控制在±1℃以内。
表2 温度变化测量（℃）
室温[]盒内起始温度[]3分钟时的温度[]温差
27.7[]29.1[]14.0[]15.1
27.2[]28.3[]13.0[]15.3
27.5[]28.6[]13.4[]15.2
经测试在3分钟内能达到规定的15℃的温差，并且稳定后盒内温度波动在±1℃以内。
能在计算机上实时显示温度调节过程的曲线，且显示的温差绝对值小于2℃。数据显示如图7所示。
图7 上位机操作界面——数据的显示及控制
4 结束语
根据测试结果可知设计基本成功，能够满足要求。
从测试结果可知, 设计的温控系统提高了静态控制精度，减小了调节时间和超调量，系统的可靠性和安全性较高, 控制算法先进，系统性能良好，基本达到了设计目标。
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（责任编辑：王 钊）
Design of Indoor Temperature Controlling System Based on USB2.0
Abstract:In order to control the indoor temperature precisely, we use USB2.0 as micro-controller to control the system, we use AD590K temperature sensor to measure the indoor temperature, In the control algorithm, we use piecewise linear plus integral PI method isolation to control the indoor temperature, we also do the relevant tests. It proves that this control method can reduce the overshoot and also can control the indoor temperature precisely. This system can be used in the occasion when indoor temperature control is required.
Key Words: USB2.0; AD590K; Temperature Controlling
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