基于單片機(jī)的精密溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器[1~3]是基于探測(cè)器的輻射定標(biāo)中的關(guān)鍵組成部分，其光學(xué)核心部件濾光片輻射計(jì)的響應(yīng)度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的精度和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)精密溫度控制系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)具有精度高、體積小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 本文所設(shè)計(jì)的精密溫控系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機(jī)、12位DA轉(zhuǎn)換器AD7248A[8]、半導(dǎo)體制冷器TEC、大電流驅(qū)動(dòng)OPA548[9]、鍵盤、VFD顯示屏和RS－232串口通訊電路組成，其原理框圖如圖1所示。
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單片機(jī)根據(jù)DS18B20測(cè)得被控對(duì)象濾光片輻射計(jì)的溫度，與設(shè)定置相比較，經(jīng)過(guò)PID[10]控制算法調(diào)整DA的輸出電壓，進(jìn)而控制半導(dǎo)體致冷器TEC進(jìn)行制冷或加熱實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的恒溫，同時(shí)由顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度。各主要模塊簡(jiǎn)介如下：
1.1 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20
DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字式溫度傳感器，采用TO－92封裝。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線復(fù)用為一根信號(hào)線，輸入輸出均為數(shù)字信號(hào)。這使得其與單片機(jī)接口變得十分簡(jiǎn)單,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的AD轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。
DS18B20主要性能指標(biāo)：（1）測(cè)溫范圍：-55～125℃，測(cè)量最高分辨率為0.0625℃，這是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制精度要求的關(guān)鍵；（2）無(wú)需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數(shù)字量；（3）溫度轉(zhuǎn)換最大時(shí)間為750ms；（4）用戶可以設(shè)定報(bào)警溫度，存儲(chǔ)于EEPROM中。
1.2  12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7248A
本系統(tǒng)所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC是美國(guó) Analog Devices 公司的生產(chǎn)的AD7248A。這是一種帶有片載內(nèi)置輸出放大器和基準(zhǔn)電壓源的 12 位低功耗并行 DA轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出建立時(shí)間只需 30ns, 12 位數(shù)據(jù)以高 8 位和低 4 位分兩次寫入輸入鎖存器。在雙極性供電模式下，能產(chǎn)生±5V 的輸出電壓。考慮到溫控模塊中的半導(dǎo)體致冷器件工作時(shí)需要雙極性電壓的特點(diǎn)，這里選擇雙極性供電工作模式。
1.3 大電流驅(qū)動(dòng)OPA548
由圖 1 溫控系統(tǒng)框圖可以看到，12 位 DA芯片輸出的電壓信號(hào)要送往半導(dǎo)體致冷器，通過(guò)控制流過(guò)致冷器的電流大小進(jìn)而控制濾光片的溫度高低。但從AD7248A 輸出的電壓信號(hào)，其電流驅(qū)動(dòng)能力不夠強(qiáng)，因此需要加入電流驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)中我們選用Burr-Brown 公司的大電流驅(qū)動(dòng)集成芯片 OPA548，它可以提供峰值達(dá)5A連續(xù)3A的驅(qū)動(dòng)電流。本系統(tǒng)采用雙極性供電模式，以配合DA轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷器TEC實(shí)現(xiàn)加熱或制冷。
1.4 半導(dǎo)體致冷器TEC
基于Peltier效應(yīng)的熱電致冷器是由多對(duì)熱電致冷對(duì)在電氣上串聯(lián)、在熱傳導(dǎo)上并聯(lián)組成，如圖2所示。熱電對(duì)由鉍碲化合物摻雜形成的 P 型和 N 型半導(dǎo)體構(gòu)成，它們與銅片相接，銅片則與電氣上絕緣而導(dǎo)熱良好的瓷板相連接。單個(gè)這樣的器件兩端的溫差最高可達(dá) 70℃，串聯(lián)（多層）使用可提高溫差，并聯(lián)使用則可增加泵熱能力。

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熱電致冷器件特別適合于小熱量和受空間限制的溫控領(lǐng)域。改變加在器件上的直流電的極性即可變致冷為加熱，而吸熱或放熱率則正比于所加直流電流的大小。Pe1tier 溫控器的設(shè)定溫度可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)任意選擇，可選擇低于或高于環(huán)境溫度。
在本系統(tǒng)中我們選用了天津藍(lán)天高科電源有限公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體致冷器件 TES1－12739,其最大溫差電壓 14.7V,最大溫差電流3.9A最大致冷功率33.7W。
1.5 其它部分
系統(tǒng)采用Samsung（三星）公司生產(chǎn)的真空熒光數(shù)碼顯示屏 VFD用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，以觀察控制效果。鍵盤和串行通信接口用來(lái)設(shè)定控制溫度和調(diào)整PID參數(shù)。系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

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2  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先由單片機(jī)控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過(guò)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采樣被控對(duì)象的當(dāng)前溫度值T1并送顯示屏實(shí)時(shí)顯示。然后，將該溫度測(cè)量值與設(shè)定值T比較，其差值送 PID控制器。PID 控制器處理后輸出一定數(shù)值的控制量，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，該電壓信號(hào)再經(jīng)大電流驅(qū)動(dòng)電路，提高電流驅(qū)動(dòng)能力后加載到半導(dǎo)體致冷器件上，對(duì)溫控對(duì)象進(jìn)行加熱或制冷。加熱或制冷取決于致冷器上所加電壓的正負(fù)，若溫控對(duì)象當(dāng)前溫度測(cè)量值與設(shè)定值差值為正，則輸出負(fù)電壓信號(hào)，致冷器上加載負(fù)電壓溫控對(duì)象溫度降低；反之，致冷器上加載正向電壓，溫控對(duì)象溫度升高。上述過(guò)程：溫度采樣－計(jì)算溫差－PID調(diào)節(jié)－信號(hào)放大輸出周而復(fù)始，最后將溫控對(duì)象的溫度控制在設(shè)定值附近上下波動(dòng)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，波動(dòng)幅度會(huì)逐漸減小到某一很小的量，直至達(dá)到控制要求。為了加快控制，在進(jìn)入PID控制前加入了一段溫差判斷程序。當(dāng)溫度差值大于設(shè)定閾值Δt時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行全功率加熱或制冷，直到溫差小于Δt才進(jìn)入PID控制環(huán)節(jié)。圖4為系統(tǒng)工作主程序的軟件流程圖．

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3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)數(shù)字PID控制的精密溫度控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的控制效果，溫度控制精度達(dá)到±0.1℃。經(jīng)48小時(shí)連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有效地降低了輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的溫度系數(shù)，使輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在溫度變化較大的環(huán)境中也能保持其高精度，為實(shí)現(xiàn)基于探測(cè)器的高精度輻射定標(biāo)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在原來(lái)基于PC的PID溫控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由單片機(jī)、數(shù)字式溫傳感器DS18B20和半導(dǎo)體致冷器組成的精密溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)的應(yīng)用為高精度光輻射測(cè)量?jī)x器－輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的小型化、智能化提供了有利條件。