半导体制冷器的高精度温度控制系统

摘要随着信息时代的到来，传感器技术得到了快速发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。随着人们生活水平的提高，智能化的液体加热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中，这些产品大多采用发热管或PTC热敏电阻进行加热，仅仅具有加热功能；而使用半导体制冷片可以具备加热和制冷双重功能，但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电器来完成，继电器属于机械式开关，当频繁导通或关断时不仅会发出噪音，而且还会降低其使用寿命。因此，有必要探索一种高效、静噪、安全的半导体制冷片控制方法。本设计将H桥驱动电路引入半导体制冷片进行控制，通过控制H桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷，从而实现控温。关键词：传感器；TEC；H桥1、系统方案设计本系统分为MCU，温度显示，温度控制，温度采集，本系统采用STC12C5A16S2作为核心芯片，使用TEC1-12706半导体制冷片作为核心加热制冷与案件，采用DS18B20温度传感器采集温度，通过上位机和单片机通讯，上位机可以显示实时温度值，并且可以进行温度设置，半导体制冷片控制部分采用H桥驱动控制电路进行电压翻转，H桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制，从而达到加热和制冷的自动控制目的。PC机显示温度、温度控制设置温度RS232PWM·······加热制冷温度采集图1系统结构1.1微型控制单元MCU采用宏晶STC12系列单片机，其工作电压为5.5-3.5V，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，本单片机晶振频率为22.184MHz，本系统PWM的时钟源是Fosc，不用Timer，PWM的频率为Fosc/2，此单片机完全能够满足本系统的设计要求。1.2TEC12706半导体制冷片TEC(Themoelectriccoolingmodules)即半导体制冷器,它的工作原理是基于珀尔贴效应(J.C.A.Peltier在1834年发现),即当电流以不同方向通过双金属片所构成STC12C5A16S2DS18B20TECH桥的结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用P型和N型半导体材料制成,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量要低于在N型半导体中的能量,故在P型电偶臂和N型电偶臂两端加上电压后,电子从金属流到N型半导体需吸收能量,而从N型半导体流到金属中需放出能量,这样a端是电子从金属流向N型半导体,故为吸热端,而b端是电子从N型半导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时a端则为放热端,而b端则为吸热端。由此可知,若将a端与某物体接触,通过改变回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。图2TEC结构1.3DS18B20数字温度传感器DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，只需要一条口线通信，多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V，无需备用电源，测量温度范围为-55°C至+125°C，-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C。温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。2、硬件设计2.1硬件功能划分上位机执行机构控制器通讯被控对象检测机构图3硬件功能划分2.2温度采集本系统采用单片机P2.6口作为DS18B20的数据输入端口图4DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线PC机STC12单片机TEC制冷片驱动电路检测电路不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。2.3驱动电路图5驱动电路H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。本系统将H桥驱动电路引入对半导体制冷片进行控制。H桥采用一对IRF9540P型MOSFET管和一对IRF540N型MOS管。根据MOS管导通原理，对于N沟道MOS管，当栅-源之间不加电压时，漏-源之间只是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。当栅-源电压GSu大于开启电压)(thGSU，漏-源之间形成导电沟道，GSu愈大，导电沟道电阻愈小。当GSu是大于一个确定值时，若在漏-源之间加正向电压，则将产生一定的漏级电流。与N沟道MOS管相对应，P沟道MOS管的开启电压)(thGSU0,GSu)(thGSU时，管子才导通，漏-源之间应加负电源电压。本设计使用NPN三极管进行开关电路可行性：三极管有一个特性，就是有饱和状态与截止状态，正是因为有了这两种状态，使其应用于开关电路成为可能。必要性：假设我们在设计一个系统电路中，有些电压、信号等等需要在系统运行过程中进行切断，但是又不能通过机械式的方式切断，此时就只能通过软件方式处理，这就需要有三极管开关电路作为基础了。如下图就是一个最基本的三极管开关电路，NPN的基极需连接一个基极电阻R2、集电极上连接一个负载电阻R1。首先我们要清楚当三极管的基极没有电流时候集电极也没有电流，三极管处于截止状态，即断开；当基极有电流时候将会导致集电极流过更大的放大电流，即进入饱和状态，相当于关闭。当然基极要有一个符合要求的电压输入才能确保三极管进入截止区与饱和区。图6NPN开关电路本系统设计P1.3为PWM波输出端口，P1.1为加热、制冷控制端口，P1.3接开关电路PWM1，P1.1接开关电路PWM2。P1.1为0时，驱动电路为加热状态，P1.1为1时，驱动电路为制冷状态。（1）当P1.1为0时，三极管开关电路Q6不导通，此时H桥右半边相当于电源电压，并且Q2MOS管IRF9540两端所加电压为0，Q2不导通，Q4MOS管IRF540两端所加电压为正，Q4导通。1）当P1.3输出为PWM波高电平时，三极管开关电路Q5导通，H桥左半边相当于接地，此时Q1MOS管IRF9540两端所加电压为负，Q1导通，Q3MOS管两端所加电压为0，Q3不导通，此时电流方向经过Q1和Q4，从左流至右，半导体制冷片处于加热状态；2）当P1.3输出为PWM波低电平时，三极管开关电路Q5截止，H桥左半边相当于电源电压，此时Q1MOS管IRF9540两端所加电压为0，Q1不导通，Q3MOS管两端所加电压为正，Q3导通，由于没有对角的一对MOS管导通，所以H桥不导通，半导体制冷片处于不加热状态；（2）当P1.1为1时，三极管开关电路Q6导通，此时H桥右半边相当于接地，并且Q2MOS管IRF9540两端所加电压为负，Q2导通，Q4MOS管IRF540两端所加电压为0，Q4不导通。1）当P1.3输出为PWM波高电平时，三极管开关电路Q5导通，H桥左半边相当于接地，此时Q1MOS管IRF9540两端所加电压为负，Q1导通，Q3MOS管两端所加电压为0，Q3不导通，由于没有对角的一对MOS管导通，所以H桥不导通，半导体制冷片处于制冷状态；2）当P1.3输出为PWM波低电平时，三极管开关电路Q5截止，H桥左半边相当于电源电压，此时Q1MOS管IRF9540两端所加电压为0，Q1不导通，Q3MOS管两端所加电压为正，Q3导通，此时电流方向经过Q2和Q3，从右流至左，半导体制冷片处于制冷状态；通过调整PWM波的占空比，可以得到想要得加热和制冷效果。本设计驱动电路的电源采用外加电源，根据MOS管的导通原理，三极管的电源和H桥的电源需一致。2.4串口通讯MAX232通过内部电压倍增及电压反相电路，把TTL电平与RS232电平互换，实现单片机与PC机的串口通信。图7串口通讯电路2.5系统原理图及元件清单图8原理图元件名称规格型号数量电阻5K210K2P沟道MOSFETIRF95402N沟道MOSFETIRF5402NPN三极管C80502半导体制冷片TEC1-127061温度传感器DS18B201散热片1电源+5、+12V表1元件清单3、软件设计3.1软件功能模块软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序存储空间。根据系统设计要求，软件设计采用了结构程序模块化设计。半导体温度控制仪的软件系统包括下位机程序和上位机程序两部分。下位机程序又包括主程序、温度采集模块、PWM控制模块、串口通讯模块、等几个模块。上位机程序主要是通过串口口实现对系统温度的控制，并且可以接收下位机的数据并实时显示温度曲线。图9软件功能划分人机界面核心算法PWM模块中断被控对象温度采集模块3.2主程序流程图10主程序流程3.2温度采集模块温度采集模块是利用DS18B20和单片机进行串行总线通信的方式实现的。DS18B20是数字传感器，因此不需要A/D转换，省去许多硬件电路。但是由于硬件的减少，DS18B20对软件要求就提高不开机初始化显示初始温度PWM控制绘制温度曲线用户设置温度采集温度达到设置温度保持恒温少。它有着严格的时序要求，否则传感器将不工作。读取温度流程如下：图11温度采集流程数据端置位复位DS18B20写跳过ROM匹配命令0xCCHDS18B20是否存在写温度转换命令0x44H延时750us?复位DS18B20写读温度字节命令0BEH写跳过ROM匹配命令0CCH读温度读温度值返回是否是否开始3.3PWM控制模块本设计PWM输出采用STC12C5A16S2自带PWM产生模块，设置为8位无中断PWM输出，产生PWM经P1.3端口输出截止驱动电路的PWM1端。PWM控制流程如下：图12PWM控制流程3.4核心控制算法本设计采用bang-bang控制，这种控制方式在某些方面具有比常规PID控制较为优越的性能，尤其是对于给定值的提降及大幅度的扰动作用，效果更显著。在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点，而且在超调量等其他指标上也具有一定的改善。本文设计将设定温度划分若干小区间，对于不同的设定温度区间，MCU控制单元输出不同占空比的PWM波。当设定温度确定在某温度区间后，初始的PWM波占空比也随之确定，当温差大于3°C时，系统采用初始的占空比来控制半导体制冷片；当温差小于3°C大于0.5°C时，MCU单元减少占空比，系统采用此时的占空比来控制半导体制冷片，此时对半导体制冷片的控制作用减弱；当温差开始计算所需占空比PCA时钟设定启动PCA时钟返回小于0.5°C时，此时MCU输出的PWM波占空比为0，停止对半导体制冷片的控制，但此时因为惯性，温度还会小幅度上升，正好达到设定的目标温度；由于MCU停止对半导体制冷片的控制，此时制冷片温度会回落，当回落至温差大于0.5°C时，系统又用小占空比PWM波对制冷片控制，温差小于0.5°C时，再次停止控制；此后，系统温度就以小震荡稳定在设置的目标温