基于ADuC841單片機(jī)和半導(dǎo)體加熱制冷片的小型溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、Research of benchtop temperature control systemAbstract: A design of benchtop temperature control system based on MCU ADuC841 and semiconductor heating-refrigerating chips is introduced in this paper. In this design, semiconductor heating-refrigerating chips are employed as executive component for t

2、emperature control. Temperature sensor DS18B20 is used to detect the temperature and provide feedback. Incremental PID algorithm is implemented on the controller MCU. This design and development indicates a small size, low power consumption and efficient operation solution to realize a fast and prec

3、ise benchtop temperature control system.Key words: temperature sensor ; MCU; differential amplifier; incremental control摘要：本文介紹了基于ADuC841單片機(jī)和半導(dǎo)體加熱制冷片的小型溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體加熱制冷片作為溫度控制的執(zhí)行部件，溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測(cè)并提供反饋信號(hào)，在控制器單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)增量式PID控制算法。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)快速、精確的小型溫度控制系統(tǒng)提供了一種體積小、功耗低、經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機(jī)；半導(dǎo)體加熱制冷

4、片；增量式控制 1 引言隨著微加工工藝的快速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，伴隨著器件的小型化，各個(gè)模塊的溫度特性成為影響整個(gè)系統(tǒng)精度、可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對(duì)小型溫控系統(tǒng)的實(shí)際要求，選用體積小、重量輕、工作噪音低的半導(dǎo)體加熱制冷片作為執(zhí)行部件，“多點(diǎn)單總線”接口的DS18B20溫度傳感器作為反饋器件，而單片機(jī)作為控制器，選擇合適的PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的快速、精確控制。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案整個(gè)溫控系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)外雙層的設(shè)計(jì)，中間布置有控制電路和執(zhí)行器件，以及水冷系統(tǒng)管道，憑借液冷散熱器的高熱交換效率，可以提高系統(tǒng)的溫控

5、性能。 圖1 系統(tǒng)方案示意圖系統(tǒng)硬件電路主要分為兩個(gè)部分（如圖1所示），即單片機(jī)和溫度傳感器的反饋控制部分和功放及半導(dǎo)體加熱制冷片的執(zhí)行部分。2.1 反饋與控制部分DS18B20溫度傳感器是世界上第一個(gè)支持“多點(diǎn)單總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，每一個(gè)DS18B20都有自己唯一的一個(gè)64為序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部的ROM中，所以可以在同一條溫度測(cè)量總線上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，從而能夠更加精確地給出系統(tǒng)溫度值。溫度測(cè)量范圍：-55+125能夠滿足系統(tǒng)溫控需求，測(cè)溫分辨率可以達(dá)到，測(cè)得溫度通過符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。系統(tǒng)控制器選用ADI公司的ADuC841型單片機(jī)，此類型單片

6、機(jī)板載12位ADC以及兩個(gè)12位DAC，同時(shí)還擁有DMA控制器，為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供的32位可編程I/O，兼容SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART的串行I/O端口，并且還支持板載溫度檢測(cè)以及電源檢視等。控制器主要實(shí)現(xiàn)如下功能：(1 與MAX232連接，進(jìn)行和串口的數(shù)據(jù)通信，可以用于給單片機(jī)下載控制程序，同時(shí)可以在電腦上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度等參數(shù)。(2 通過DAC0輸出控制信號(hào)，控制半導(dǎo)體加熱制冷片執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(3 連接DS18B20單一總線上各個(gè)芯片的DQ端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的讀寫控制。(4 通過DAC1輸出與溫度值相對(duì)應(yīng)的模擬電壓，從而可以實(shí)時(shí)觀察溫度變化。單片機(jī)程序中主要包括延時(shí)函數(shù)、

7、復(fù)位函數(shù)、位讀寫函數(shù)、字節(jié)讀寫函數(shù)、DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)、DS18B20的控制函數(shù)以及控制算法部分，從而可以實(shí)現(xiàn)小型溫控系統(tǒng)的基本功能。2.2 執(zhí)行部分整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件選擇的是型號(hào)為TEC1-7108T125的半導(dǎo)體加熱制冷片，這種加熱制冷片最大溫差電流8A、最大溫差67、最大工作電壓、最大制冷功率。 圖2 半導(dǎo)體加熱制冷片電控實(shí)現(xiàn)方案的參考Cref電壓通過運(yùn)放LMC6482AIM（U1A），即電壓跟隨器，進(jìn)入運(yùn)放LMC6482AIM。因集成功率放大器輸出后的反饋電阻為，所以反饋電壓為 。又因單片機(jī)控制信號(hào)進(jìn)入集成功率放大器LM12CL的IN的電壓范圍為0Cref

8、（即0），所以要控制進(jìn)入集成功率放大器LM12CL的IN的電壓范圍也為0，則設(shè)計(jì)如上電阻，經(jīng)計(jì)算有： 也就是說存在如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系，0V，0A，相當(dāng)于 ，即每伏電壓對(duì)應(yīng)控制電流。當(dāng)然電阻設(shè)計(jì)并不唯一，這里只給出一種方案。3 控制算法的選擇本設(shè)計(jì)中采用常見的PID控制算法，通過對(duì)實(shí)際溫控箱進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，確定PID的控制參數(shù)，調(diào)整控制算法。實(shí)驗(yàn)中將溫控箱視作一階系統(tǒng)進(jìn)行處理。先后向?qū)嶒?yàn)被控對(duì)象送入固定正向1A加熱電流和反向-1A制冷電流，測(cè)量得到溫度變化曲線如分別如圖3(a和(b所示。     圖3 加熱與制冷溫度變化曲線理論模擬

9、得到曲線方程分別為：            由于系統(tǒng)控制電壓范圍為0，最大升降溫電壓分別為，對(duì)應(yīng)電流為，由于采用單片機(jī)自帶12位DAC，編程時(shí)對(duì)應(yīng)2048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)镈S18B20測(cè)溫分辨率為，在編程時(shí)舍去其溫度轉(zhuǎn)化的小數(shù)部分，相當(dāng)于增益增大了16倍。這樣就得到溫控系統(tǒng)的開環(huán)增益 。綜合以上測(cè)試與理論分析結(jié)果，得到近似的受控對(duì)象傳遞函數(shù)為： 假設(shè)目標(biāo)溫度為 ，當(dāng)前實(shí)際溫度為 ，溫度變化范圍 ，則可以得到控制電流與溫度變化之間的關(guān)系為：  離散化之后可

10、以得到： 溫度讀取延時(shí)時(shí)間為1s，于是最終可以得到： 采取這種增量式PID控制算法只需要計(jì)算增量，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。此外，當(dāng)控制器發(fā)生故障的時(shí)候，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身具有寄存作用，所以不至于引起半導(dǎo)體加熱制冷片的大幅度動(dòng)作。經(jīng)過理論計(jì)算和反復(fù)改變參數(shù)進(jìn)行仿真，選取PID控制參數(shù)為：Kp=20、Kd=3750，進(jìn)行25至30的加熱實(shí)驗(yàn)，得到溫度變化曲線如圖4所示。 圖4 增量式PID控制算法溫度變化曲線可以看出大概有的超調(diào)量，但是本算法建立時(shí)間短，而且最終穩(wěn)定精度高。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，微分環(huán)節(jié)在溫度控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用

11、，能夠反映出偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并且能夠在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快了系統(tǒng)的動(dòng)作反應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)溫度每發(fā)生一個(gè)大約的變化梯度時(shí)，微分作用會(huì)導(dǎo)致很大的控制信號(hào)正負(fù)跳變，消耗較大功率，所以在實(shí)際控制算法中給微分環(huán)節(jié)加入了一個(gè)低通數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中使用單片機(jī)作為主控芯片，整個(gè)C語言主函數(shù)包含的子函數(shù)模塊主要有：延時(shí)函數(shù)、復(fù)位函數(shù)、位讀函數(shù)、位寫函數(shù)、字節(jié)讀函數(shù)、字節(jié)寫函數(shù)、DAC1數(shù)模轉(zhuǎn)換、讀取溫度函數(shù)等。 圖5 單片機(jī)控制DS18B20讀取溫度子程序流程圖根據(jù)DS18B20工作條件以及指令說明，單

12、片機(jī)控制讀取溫度的控制子程序流程圖如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：CCH SKIP ROM跳過存儲(chǔ)器命令：主器件單片機(jī)可以使用跳過存儲(chǔ)器命令來呼叫總線上所有從器件，而不必通過發(fā)送每個(gè)從器件的存儲(chǔ)器代碼逐個(gè)呼叫。0xBE讀暫存寄存器命令：?jiǎn)纹瑱C(jī)可以讀取暫存寄存器中的內(nèi)容。數(shù)據(jù)發(fā)送以暫存寄存器字節(jié)0的最低位開始，一直到第9字節(jié)。任何時(shí)候只要單片機(jī)想讀暫存寄存器中的數(shù)據(jù)，就先發(fā)送復(fù)位命令，再使用讀暫存寄存器命令。44H溫度轉(zhuǎn)換命令：溫度轉(zhuǎn)化命令初始化一次溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果被保存在兩字節(jié)溫度寄存器中，然后DS18B20進(jìn)入到低電壓零狀態(tài)。以上程序反復(fù)運(yùn)行，就可以通過DS18B20實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)

13、行讀取。5   結(jié)語本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種利用半導(dǎo)體加熱制冷片，基于單片機(jī)的小型實(shí)驗(yàn)用溫控系統(tǒng)，能夠在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)快速溫度變化控制。通過做全功率加速和制冷的實(shí)驗(yàn)，得到了最大加熱溫度可到90，而最大制冷溫度能到約-10。系統(tǒng)控制溫差范圍約100，穩(wěn)定后的溫度波動(dòng)為之內(nèi)。本設(shè)計(jì)屬于國(guó)防科研項(xiàng)目，主要用于對(duì)MEMS器件進(jìn)行溫度特性測(cè)試，已投入使用，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定，并且具有較好的快速性，完全可以滿足溫度特性測(cè)試的項(xiàng)目要求。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用半導(dǎo)體加熱制冷片作為小型溫控箱的加熱與制冷執(zhí)行元件，DS18B20溫度傳感器反饋溫度信號(hào)，并且以單片機(jī)作為控制單元，使用增量式PID控制算法取代普通PID控制，實(shí)現(xiàn)了一種經(jīng)濟(jì)、有效而且穩(wěn)定的溫控方案。參考文獻(xiàn)：1 張開生等，MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，微計(jì)算機(jī)信息，2005，21-7:61, 68-692 王茂，曾慶雙等，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)溫控箱的計(jì)算機(jī)控制，中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，6-4:89-933 蘇衛(wèi)東，任思聰?shù)?，溫控箱?shù)學(xué)模型的建立及其自適應(yīng)PID控制,