半導(dǎo)體制冷器的高精度溫度控制系統(tǒng)

1、摘要隨著信息時(shí)代的到來(lái)，傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)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(lèi)家電越來(lái)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(jìn)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(lái)完成，繼電器屬于機(jī)械式開(kāi)關(guān)，當(dāng)頻繁導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)不僅會(huì)發(fā)出噪音，而且還會(huì)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(jì)將H橋驅(qū)動(dòng)電路引入半導(dǎo)體制冷

2、片進(jìn)行控制，通過(guò)控制H橋的通斷方向來(lái)控制半導(dǎo)體制冷片的加熱和制冷，從而實(shí)現(xiàn)控溫。關(guān)鍵詞： 傳感器；TEC；H橋1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(guò)上位機(jī)和單片機(jī)通訊，上位機(jī)可以顯示實(shí)時(shí)溫度值，并且可以進(jìn)行溫度設(shè)置，半導(dǎo)體制冷片控制部分采用H橋驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)，H橋的導(dǎo)通和截止采用三極管開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到加熱和制冷的自動(dòng)控制目的。STC12C5A16S2PC機(jī)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(jī)，其工作電壓為5.5-3.5V，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，本單片機(jī)晶振頻率為22.184MHz，本系統(tǒng)PWM的時(shí)鐘源是Fosc，不用Timer，PWM的頻率為Fosc/2，此單片機(jī)完全能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。1.2 TEC12706半導(dǎo)體制冷片TEC(Themoelectric cooling modules)即半導(dǎo)體

4、制冷器,它的工作原理是基于珀?duì)栙N效應(yīng)(J.C.A.Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)),即當(dāng)電流以不同方向通過(guò)雙金屬片所構(gòu)成的結(jié)時(shí)能對(duì)與其接觸的物體制冷或加熱。兩個(gè)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(shí),此時(shí)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(guò)改變回路中

5、電壓極性和電流的大小即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的制冷與加熱。圖2 TEC結(jié)構(gòu)1.3 DS18B20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(xiàn)器件，只需要一條口線(xiàn)通信，多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線(xiàn)供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無(wú)需備用電源，測(cè)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(hù)可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，應(yīng)用范圍包括

6、恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。2、 硬件設(shè)計(jì)2.1硬件功能劃分 TEC制冷片 上位機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路STC12單片機(jī) PC機(jī) 控制器 通訊 被控檢測(cè)電路 對(duì)象 檢測(cè)機(jī)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(jī)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(shí)I/O線(xiàn)不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證 轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線(xiàn)上理論可以?huà)旖尤我舛鄠€(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)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

7、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(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)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(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線(xiàn)下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)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(hào)表示復(fù)位成功。DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)。2.3驅(qū)動(dòng)電路 圖5 驅(qū)動(dòng)電路 H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)

8、動(dòng)。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動(dòng)。 本系統(tǒng)將H橋驅(qū)動(dòng)電路引入對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控制。H橋采用一對(duì)IRF9540P型MOSFET管和一對(duì)IRF540N型MOS管。根據(jù)MOS管導(dǎo)通原理，對(duì)于N溝道MOS管，當(dāng)柵-源之間不加電壓時(shí)，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(huì)有漏極電流。當(dāng)柵-源電壓大于開(kāi)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(gè)確定值時(shí)，若在漏-源之間加正向電壓，則將產(chǎn)生一定的漏級(jí)電流。與N溝道MOS管相對(duì)應(yīng)，P溝道MO

9、S管的開(kāi)啟電壓<0,<時(shí)，管子才導(dǎo)通，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓。本設(shè)計(jì)使用NPN三極管進(jìn)行開(kāi)關(guān)電路可行性：三極管有一個(gè)特性，就是有飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，正是因?yàn)橛辛诉@兩種狀態(tài)，使其應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電路成為可能。必要性：假設(shè)我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)電路中，有些電壓、信號(hào)等等需要在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行切斷，但是又不能通過(guò)機(jī)械式的方式切斷，此時(shí)就只能通過(guò)軟件方式處理，這就需要有三極管開(kāi)關(guān)電路作為基礎(chǔ)了。 如下圖就是一個(gè)最基本的三極管開(kāi)關(guān)電路，NPN的基極需連接一個(gè)基極電阻R2、集電極上連接一個(gè)負(fù)載電阻R1。    首先我們要清楚當(dāng)三極管的基極沒(méi)有電流時(shí)候集電極也沒(méi)有電流，三

10、極管處于截止?fàn)顟B(tài)，即斷開(kāi)；當(dāng)基極有電流時(shí)候?qū)?huì)導(dǎo)致集電極流過(guò)更大的放大電流，即進(jìn)入飽和狀態(tài)，相當(dāng)于關(guān)閉。當(dāng)然基極要有一個(gè)符合要求的電壓輸入才能確保三極管進(jìn)入截止區(qū)與飽和區(qū)。圖6 NPN開(kāi)關(guān)電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)P1.3為PWM波輸出端口，P1.1為加熱、制冷控制端口，P1.3接開(kāi)關(guān)電路PWM1，P1.1接開(kāi)關(guān)電路PWM2。P1.1為0時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路為加熱狀態(tài)，P1.1為1時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路為制冷狀態(tài)。（1） 當(dāng)P1.1為0時(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)6不導(dǎo)通，此時(shí)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

11、出為PWM波高電平時(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)5導(dǎo)通，H橋左半邊相當(dāng)于接地，此時(shí)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(shí)電流方向經(jīng)過(guò)Q1和Q4，從左流至右，半導(dǎo)體制冷片處于加熱狀態(tài)； 2）當(dāng)P1.3輸出為PWM波低電平時(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)5截止，H橋左半邊相當(dāng)于電源電壓，此時(shí)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(méi)有對(duì)角的一對(duì)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(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)6導(dǎo)通，此時(shí)H橋右半邊相當(dāng)于接地，并且Q2MOS管IRF9

12、540兩端所加電壓為負(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(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)5導(dǎo)通，H橋左半邊相當(dāng)于接地，此時(shí)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，由于沒(méi)有對(duì)角的一對(duì)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(shí)，三極管開(kāi)關(guān)電路Q(chēng)5截止，H橋左半邊相當(dāng)于電源電壓，此時(shí)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(shí)電流方向經(jīng)過(guò)Q2和Q3，從右流至左，半導(dǎo)體制冷片處于制冷狀

13、態(tài)；通過(guò)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(jì)驅(qū)動(dòng)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(guò)內(nèi)部電壓倍增及電壓反相電路，把TTL電平與RS232電平互換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)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(chēng)規(guī)格型號(hào)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(jì)3.1軟件功能模塊軟件設(shè)計(jì)中一

14、個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)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(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)程序模塊化設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體溫度控制儀的軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)程序和上位機(jī)程序兩部分。下位機(jī)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(gè)模塊。上位機(jī)程序主要是通過(guò)串口口實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的控制，并且可以接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示溫度曲線(xiàn)。人機(jī)界面核心算法PWM模塊中斷被控對(duì)象溫度采集模塊圖9 軟件功能劃分 開(kāi)機(jī)

15、3.2主程序流程 PWM控制 用戶(hù)設(shè)置溫度 初始化 繪制溫度曲線(xiàn) 采集溫度 顯示初始溫度 保持恒溫達(dá)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(jī)進(jìn)行串行總線(xiàn)通信的方式實(shí)現(xiàn)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(duì)軟件要求就提高不少。它有著嚴(yán)格的時(shí)序要求，否則傳感器將不工作。讀取溫度流程如下： 開(kāi)始數(shù)據(jù)端置位復(fù)位DS18B20否DS18B20是否存在是寫(xiě)跳過(guò)ROM匹配命令0xCCH寫(xiě)溫度轉(zhuǎn)換命令0x44H否延時(shí)750us ?是復(fù)位DS18B20寫(xiě)跳過(guò)ROM匹配命令0CCH寫(xiě)讀溫度字節(jié)命令

16、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(jì)PWM輸出采用STC12C5A16S2自帶PWM產(chǎn)生模塊，設(shè)置為8位無(wú)中斷PWM輸出，產(chǎn)生PWM經(jīng)P1.3端口輸出截止驅(qū)動(dòng)電路的PWM1端。PWM控制流程如下： 開(kāi)始 計(jì)算所需占空比 PCA時(shí)鐘設(shè)定 啟動(dòng)PCA時(shí)鐘 返回圖12 PWM控制流程3.4核心控制算法本設(shè)計(jì)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(duì)于給定值的提降及大幅度的擾動(dòng)作用，效果更顯著。在動(dòng)態(tài)質(zhì)量上不僅體現(xiàn)為過(guò)渡時(shí)間短這一特點(diǎn)，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(jì)將設(shè)定溫度劃分若干小區(qū)間，

17、對(duì)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3°C時(shí)，系統(tǒng)采用初始的占空比來(lái)控制半導(dǎo)體制冷片；當(dāng)溫差小于3°C大于0.5°C時(shí)，MCU單元減少占空比，系統(tǒng)采用此時(shí)的占空比來(lái)控制半導(dǎo)體制冷片，此時(shí)對(duì)半導(dǎo)體制冷片的控制作用減弱；當(dāng)溫差小于0.5°C時(shí)，此時(shí)MCU輸出的PWM波占空比為0，停止對(duì)半導(dǎo)體制冷片的控制，但此時(shí)因?yàn)閼T性，溫度還會(huì)小幅度上升，正好達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度；由于MCU停止對(duì)半導(dǎo)體制冷片的控制，此時(shí)制冷片溫度會(huì)回落，當(dāng)回落至溫差大于0.5°C時(shí)，

18、系統(tǒng)又用小占空比PWM波對(duì)制冷片控制，溫差小于0.5°C時(shí)，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(kāi)始根據(jù)設(shè)置溫度，確定初始占空比MCU輸出PWM，進(jìn)行控溫Y溫差小于3°C 減少占空比NMCU輸出小占空比PWM，進(jìn)行控溫溫差小于0.5°C 減少占空比NYMCU停止控制Y循環(huán)檢測(cè)溫差大于0.5°CN 結(jié)束圖13 核心控制流程4、 調(diào)試4.1人機(jī)界面機(jī)界面部分采用VB6.0編寫(xiě)。使用VB 6.0的串口控件進(jìn)行PC與單片機(jī)的串行通信。人機(jī)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(xiàn)等。實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度曲線(xiàn)手動(dòng)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(shí)時(shí)值得偏差采樣值實(shí)時(shí)顯示圖14 人機(jī)界面4.2測(cè)試 整個(gè)測(cè)試過(guò)程就是隨機(jī)選取若干個(gè)測(cè)試設(shè)定值，觀察在