半導(dǎo)體制冷器高精度溫度控制系統(tǒng)

1、摘要隨著信息時代的到來，傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著人們生活水平的提高，智能化的液體加熱制冷類家電越來越多地出現(xiàn)在人們的日常生活中，這些產(chǎn)品大多采用發(fā)熱管或PTC熱敏電阻進行加熱，僅僅具有加熱功能； 而使用半導(dǎo)體制冷片可以具備加熱和制冷雙重功能， 但缺陷是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片的方向控制大多使用繼電器來完成，繼電器屬于機械式開關(guān)，當(dāng)頻繁導(dǎo)通或關(guān)斷時不僅會發(fā)出噪音，而且還會降低其使用壽命。 因此，有必要探索一種高效、靜噪、安全的半導(dǎo)體制冷片控制方法。本設(shè)計將H橋驅(qū)動電路引入半導(dǎo)體制冷

2、片進行控制，通過控制H橋的通斷方向來控制半導(dǎo)體制冷片的加熱和制冷，從而實現(xiàn)控溫。關(guān)鍵詞： 傳感器；TEC；H橋1、系統(tǒng)方案設(shè)計本系統(tǒng)分為MCU，溫度顯示，溫度控制，溫度采集，本系統(tǒng)采用STC12C5A16S2作為核心芯片，使用TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片作為核心加熱制冷與案件，采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，通過上位機和單片機通訊，上位機可以顯示實時溫度值，并且可以進行溫度設(shè)置，半導(dǎo)體制冷片控制部分采用H橋驅(qū)動控制電路進行電壓翻轉(zhuǎn)，H橋的導(dǎo)通和截止采用三極管開關(guān)電路進行控制，從而達到加熱和制冷的自動控制目的。STC12C5A16S2PC機顯示溫度、 溫度控制 H橋設(shè)置溫度 RS232

3、 PWM TEC DS18B20 加熱制冷 溫度采集圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1微型控制單元MCU采用宏晶STC12系列單片機，其工作電壓為5.5-3.5V，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，本單片機晶振頻率為22.184MHz，本系統(tǒng)PWM的時鐘源是Fosc，不用Timer，PWM的頻率為Fosc/2，此單片機完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。1.2 TEC12706半導(dǎo)體制冷片TEC(Themoelectric cooling modules)即半導(dǎo)體制冷器,它的工作原理是基于珀爾貼效應(yīng)(J.C.A.Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)),即

4、當(dāng)電流以不同方向通過雙金屬片所構(gòu)成的結(jié)時能對與其接觸的物體制冷或加熱。兩個電偶臂分別用P型和N型半導(dǎo)體材料制成,然后上下分別用金屬橋連接,由于電子在金屬中的能量要低于在N型半導(dǎo)體中的能量,故在P型電偶臂和N型電偶臂兩端加上電壓后,電子從金屬流到N型半導(dǎo)體需吸收能量,而從N型半導(dǎo)體流到金屬中需放出能量,這樣a端是電子從金屬流向N型半導(dǎo)體,故為吸熱端,而b端是電子從N型半導(dǎo)體流向金屬故為放熱端;反之,當(dāng)在電偶臂兩端加上反向電壓時,此時a端則為放熱端,而b端則為吸熱端。由此可知,若將a端與某物體接觸,通過改變回路中電壓極性和電流的大小即可以實現(xiàn)對物體的制冷與加熱。圖2 TEC結(jié)構(gòu)1.3 DS18B2

5、0數(shù)字溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，只需要一條口線通信，多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無需備用電源，測量溫度范圍為-55 C至+125 C，-10 C至+85 C范圍內(nèi)精度為0.5 C。溫度傳感器可編程的分辨率為912位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置，應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。2、 硬件設(shè)計2.1硬件功能劃分 TEC制冷片 上位機 執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路STC12單片機 PC機 控制器

6、 通訊 被控檢測電路 對象 檢測機構(gòu)圖3 硬件功能劃分2.2溫度采集本系統(tǒng)采用單片機P2.6口作為DS18B20的數(shù)據(jù)輸入端口圖4 DS18B20的外部電源供電方式 在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VCC引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20

7、進行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。DS18B20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。2.3驅(qū)動電路 圖5 驅(qū)動電路 H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動。永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。 本系統(tǒng)將H橋驅(qū)動電路引入

8、對半導(dǎo)體制冷片進行控制。H橋采用一對IRF9540P型MOSFET管和一對IRF540N型MOS管。根據(jù)MOS管導(dǎo)通原理，對于N溝道MOS管，當(dāng)柵-源之間不加電壓時，漏-源之間只是兩只背向的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，因此即使漏-源之間加電壓，也不會有漏極電流。當(dāng)柵-源電壓大于開啟電壓，漏-源之間形成導(dǎo)電溝道，愈大，導(dǎo)電溝道電阻愈小。當(dāng)是大于一個確定值時，若在漏-源之間加正向電壓，則將產(chǎn)生一定的漏級電流。與N溝道MOS管相對應(yīng)，P溝道MOS管的開啟電壓0,時，管子才導(dǎo)通，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓。本設(shè)計使用NPN三極管進行開關(guān)電路可行性：三極管有一個特性，就是有飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，正是因為有了這兩

9、種狀態(tài)，使其應(yīng)用于開關(guān)電路成為可能。必要性：假設(shè)我們在設(shè)計一個系統(tǒng)電路中，有些電壓、信號等等需要在系統(tǒng)運行過程中進行切斷，但是又不能通過機械式的方式切斷，此時就只能通過軟件方式處理，這就需要有三極管開關(guān)電路作為基礎(chǔ)了。 如下圖就是一個最基本的三極管開關(guān)電路，NPN的基極需連接一個基極電阻R2、集電極上連接一個負(fù)載電阻R1。 首先我們要清楚當(dāng)三極管的基極沒有電流時候集電極也沒有電流，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，即斷開；當(dāng)基極有電流時候?qū)?dǎo)致集電極流過更大的放大電流，即進入飽和狀態(tài)，相當(dāng)于關(guān)閉。當(dāng)然基極要有一個符合要求的電壓輸入才能確保三極管進入截止區(qū)與飽和區(qū)。圖6 NPN開關(guān)電路本系統(tǒng)設(shè)計P1.3為P

10、WM波輸出端口，P1.1為加熱、制冷控制端口，P1.3接開關(guān)電路PWM1，P1.1接開關(guān)電路PWM2。P1.1為0時，驅(qū)動電路為加熱狀態(tài)，P1.1為1時，驅(qū)動電路為制冷狀態(tài)。（1） 當(dāng)P1.1為0時，三極管開關(guān)電路Q6不導(dǎo)通，此時H橋右半邊相當(dāng)于電源電壓，并且Q2MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q2不導(dǎo)通，Q4MOS管IRF540兩端所加電壓為正，Q4導(dǎo)通。 1）當(dāng)P1.3輸出為PWM波高電平時，三極管開關(guān)電路Q5導(dǎo)通，H橋左半邊相當(dāng)于接地，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為負(fù)，Q1導(dǎo)通，Q3MOS管兩端所加電壓為0，Q3不導(dǎo)通，此時電流方向經(jīng)過Q1和Q4，從左流至右，半導(dǎo)體

11、制冷片處于加熱狀態(tài)； 2）當(dāng)P1.3輸出為PWM波低電平時，三極管開關(guān)電路Q5截止，H橋左半邊相當(dāng)于電源電壓，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q1不導(dǎo)通，Q3MOS管兩端所加電壓為正，Q3導(dǎo)通，由于沒有對角的一對MOS管導(dǎo)通，所以H橋不導(dǎo)通，半導(dǎo)體制冷片處于不加熱狀態(tài)；（2） 當(dāng)P1.1為1時，三極管開關(guān)電路Q6導(dǎo)通，此時H橋右半邊相當(dāng)于接地，并且Q2MOS管IRF9540兩端所加電壓為負(fù)，Q2導(dǎo)通，Q4MOS管IRF540兩端所加電壓為0，Q4不導(dǎo)通。 1）當(dāng)P1.3輸出為PWM波高電平時，三極管開關(guān)電路Q5導(dǎo)通，H橋左半邊相當(dāng)于接地，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電

12、壓為負(fù)，Q1導(dǎo)通，Q3MOS管兩端所加電壓為0，Q3不導(dǎo)通，由于沒有對角的一對MOS管導(dǎo)通，所以H橋不導(dǎo)通，半導(dǎo)體制冷片處于制冷狀態(tài)； 2）當(dāng)P1.3輸出為PWM波低電平時，三極管開關(guān)電路Q5截止，H橋左半邊相當(dāng)于電源電壓，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q1不導(dǎo)通，Q3MOS管兩端所加電壓為正，Q3導(dǎo)通，此時電流方向經(jīng)過Q2和Q3，從右流至左，半導(dǎo)體制冷片處于制冷狀態(tài)；通過調(diào)整PWM波的占空比，可以得到想要得加熱和制冷效果。本設(shè)計驅(qū)動電路的電源采用外加電源，根據(jù)MOS管的導(dǎo)通原理，三極管的電源和H橋的電源需一致。2.4串口通訊MAX232通過內(nèi)部電壓倍增及電壓反相電路，把TT

13、L電平與RS232電平互換，實現(xiàn)單片機與PC機的串口通信。圖7 串口通訊電路2.5系統(tǒng)原理圖及元件清單圖8 原理圖元件名稱規(guī)格型號數(shù)量電阻5K210K2P溝道MOSFETIRF95402N溝道MOSFETIRF5402NPN三極管C80502半導(dǎo)體制冷片TEC1-127061溫度傳感器DS18B201散熱片1電源+5、+12V表1 元件清單3、 軟件設(shè)計3.1軟件功能模塊軟件設(shè)計中一個重要的思想就是采用模塊化設(shè)計，把一個大的任務(wù)分解成若干個小任務(wù)，分別編制實現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現(xiàn)這個大任務(wù)了。這種思路對于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因為不僅程序結(jié)

14、構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲空間。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，軟件設(shè)計采用了結(jié)構(gòu)程序模塊化設(shè)計。半導(dǎo)體溫度控制儀的軟件系統(tǒng)包括下位機程序和上位機程序兩部分。下位機程序又包括主程序、溫度采集模塊、PWM控制模塊、串口通訊模塊、等幾個模塊。上位機程序主要是通過串口口實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的控制，并且可以接收下位機的數(shù)據(jù)并實時顯示溫度曲線。人機界面核心算法PWM模塊中斷被控對象溫度采集模塊圖9 軟件功能劃分 開機3.2主程序流程 PWM控制 用戶設(shè)置溫度 初始化 繪制溫度曲線 采集溫度 顯示初始溫度 保持恒溫達到設(shè)置溫度圖10 主程序流程3.2溫度采集模塊 溫度采集模塊是利用DS18B20和單片機進行串行總線通信的方式實現(xiàn)

15、的。DS18B20是數(shù)字傳感器，因此不需要A/D轉(zhuǎn)換，省去許多硬件電路。但是由于硬件的減少，DS18B20對軟件要求就提高不少。它有著嚴(yán)格的時序要求，否則傳感器將不工作。讀取溫度流程如下： 開始數(shù)據(jù)端置位復(fù)位DS18B20否DS18B20是否存在是寫跳過ROM匹配命令0xCCH寫溫度轉(zhuǎn)換命令0x44H否延時750us ?是復(fù)位DS18B20寫跳過ROM匹配命令0CCH寫讀溫度字節(jié)命令0BEH讀溫度讀溫度值返回圖11 溫度采集流程3.3 PWM控制模塊 本設(shè)計PWM輸出采用STC12C5A16S2自帶PWM產(chǎn)生模塊，設(shè)置為8位無中斷PWM輸出，產(chǎn)生PWM經(jīng)P1.3端口輸出截止驅(qū)動電路的PWM1端

16、。PWM控制流程如下： 開始 計算所需占空比 PCA時鐘設(shè)定 啟動PCA時鐘 返回圖12 PWM控制流程3.4核心控制算法本設(shè)計采用bang-bang控制，這種控制方式在某些方面具有比常規(guī)PID控制較為優(yōu)越的性能，尤其是對于給定值的提降及大幅度的擾動作用，效果更顯著。在動態(tài)質(zhì)量上不僅體現(xiàn)為過渡時間短這一特點，而且在超調(diào)量等其他指標(biāo)上也具有一定的改善。本文設(shè)計將設(shè)定溫度劃分若干小區(qū)間，對于不同的設(shè)定溫度區(qū)間，MCU控制單元輸出不同占空比的PWM波。當(dāng)設(shè)定溫度確定在某溫度區(qū)間后，初始的PWM波占空比也隨之確定，當(dāng)溫差大于3C時，系統(tǒng)采用初始的占空比來控制半導(dǎo)體制冷片；當(dāng)溫差小于3C大于0.5C時，

17、MCU單元減少占空比，系統(tǒng)采用此時的占空比來控制半導(dǎo)體制冷片，此時對半導(dǎo)體制冷片的控制作用減弱；當(dāng)溫差小于0.5C時，此時MCU輸出的PWM波占空比為0，停止對半導(dǎo)體制冷片的控制，但此時因為慣性，溫度還會小幅度上升，正好達到設(shè)定的目標(biāo)溫度；由于MCU停止對半導(dǎo)體制冷片的控制，此時制冷片溫度會回落，當(dāng)回落至溫差大于0.5C時，系統(tǒng)又用小占空比PWM波對制冷片控制，溫差小于0.5C時，再次停止控制；此后，系統(tǒng)溫度就以小震蕩穩(wěn)定在設(shè)置的目標(biāo)溫度。 開始根據(jù)設(shè)置溫度，確定初始占空比MCU輸出PWM，進行控溫Y溫差小于3C 減少占空比NMCU輸出小占空比PWM，進行控溫溫差小于0.5C 減少占空比NYM

18、CU停止控制Y循環(huán)檢測溫差大于0.5CN 結(jié)束圖13 核心控制流程4、 調(diào)試4.1人機界面機界面部分采用VB6.0編寫。使用VB 6.0的串口控件進行PC與單片機的串行通信。人機界面可顯示當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度以及設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度的曲線等。實時溫度和設(shè)定溫度曲線手動輸入需要設(shè)置的溫度值按下按鈕，設(shè)定新的溫度值設(shè)定值與實時值得偏差采樣值實時顯示圖14 人機界面4.2測試 整個測試過程就是隨機選取若干個測試設(shè)定值，觀察在各個設(shè)定值的情況下系統(tǒng)控制性能。如上圖所示，當(dāng)設(shè)置溫度為35時，控制精度可以達到1C之內(nèi)。 當(dāng)設(shè)置溫度為40C時，由溫度曲線可以看出，基本可以達到要求效果。 當(dāng)設(shè)置溫度為50C時，由溫度曲線可以看出，實時溫度雖然有小幅度震蕩，但可達到要求效果。 當(dāng)設(shè)置溫度為25C時，此時低于室溫，由溫度曲線可以看出，此時制冷效果基本滿足要求。 當(dāng)設(shè)置溫度為更低時，此時由于外界室溫影響，電源功率的不足，以及熱面的散熱不足，達不到所要求的制冷效果。5、 總結(jié)通過本次實驗使我基本了解了溫度控制系統(tǒng)的基本工作原理和組成，此次在對半導(dǎo)體制冷器設(shè)計實驗中做了下列工作：(1)通過對半導(dǎo)體制