半導(dǎo)體制冷器的高精度溫度控制系統(tǒng)

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)記之一。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)品大多采納發(fā)熱管或PTC熱敏電阻進(jìn)行加熱，僅僅具有加熱功能；而運(yùn)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)體制冷片的方向限制大多運(yùn)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)降低其運(yùn)用壽命。因此，有必要探究一種高效、靜噪、平安的半導(dǎo)體制冷片限制方法。本設(shè)計(jì)將H橋驅(qū)動(dòng)電路引入半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行限制，通過(guò)限制H橋的通斷方一直限制半導(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，溫度限制，溫度采集，本系統(tǒng)采納STC12C5A16S2作為核心芯片，運(yùn)用TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片作為核心加熱制冷與案件，采納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)體制冷片限制部分采納H橋驅(qū)動(dòng)限制電路進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)，H橋的導(dǎo)通和截止采納三極管開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行限制，從而達(dá)到加熱和制冷的自動(dòng)限制目的。STC12C5A16S2PC機(jī)顯示溫度、溫度限制STC12C5A16S2H橋設(shè)置溫度RS232PWM H橋·······TECTECDS18B20DS18B20加熱制冷溫度采集圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1微型限制單元MCU采納宏晶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)完全能夠滿意本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。1.2TEC12706半導(dǎo)體制冷片TEC(Themoelectriccoolingmodules)即半導(dǎo)體制冷器,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)覺(jué)),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)體需汲取能量,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)變更回路中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2TEC結(jié)構(gòu)1.3DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，只須要一條口線通信，多點(diǎn)實(shí)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)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V，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辨別率為9~12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(bào)警設(shè)置，應(yīng)用范圍包括恒溫限制，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)。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)TEC制冷片驅(qū)動(dòng)電路STC12單片機(jī)PC機(jī)限制器驅(qū)動(dòng)電路STC12單片機(jī)PC機(jī)通訊被控檢測(cè)電路對(duì)象檢測(cè)電路檢測(cè)機(jī)構(gòu)圖3硬件功能劃分2.2溫度采集本系統(tǒng)采納單片機(jī)P2.6口作為DS18B20的數(shù)據(jù)輸入端口圖4DS18B20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線不須要強(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)在總線上理論可以掛接隨意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。留意：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℃。依據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）限制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必需經(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)位勝利后發(fā)送一條ROM指令，最終發(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)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位勝利。DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、測(cè)溫精度高、連接便利、占用口線少等優(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)、溝通電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必需用雙極性電源供電，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)行限制。H橋采納一對(duì)IRF9540P型MOSFET管和一對(duì)IRF540N型MOS管。依據(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)生肯定的漏級(jí)電流。與N溝道MOS管相對(duì)應(yīng)，P溝道MOS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)運(yùn)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)等等須要在系統(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，這就須要有三極管開(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。

首先我們要清晰當(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6NPN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、制冷限制端口，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)。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輸出為PWM波高電平常，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波低電平常，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)；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波高電平常，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波低電平常，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)電路的電源采納外加電源，依據(jù)MOS管的導(dǎo)通原理，三極管的電源和H橋的電源需一樣。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元件清單軟件設(shè)計(jì)3.1軟件功能模塊軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采納模塊化設(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，然后將子程序依據(jù)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)運(yùn)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。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)采納了結(jié)構(gòu)程序模塊化設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體溫度限制儀的軟件系統(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限制模塊、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)溫度的限制，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。人機(jī)界面人機(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)3.2開(kāi)機(jī)PWM限制用戶設(shè)置溫度初始化繪制溫度曲線采集溫度PWM限制用戶設(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(dá)到設(shè)置溫度 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)行串行總線通信的方式實(shí)現(xiàn)的。DS18B20是數(shù)字傳感器，因此不須要A/D轉(zhuǎn)換，省去很多硬件電路。但是由于硬件的削減，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：起先數(shù)據(jù)端置位數(shù)據(jù)端置位復(fù)位復(fù)位DS18B20否否DS18B20是否存在DS18B20是否存在是是寫(xiě)跳過(guò)ROM匹配吩咐0xC寫(xiě)跳過(guò)ROM匹配吩咐0xCCH寫(xiě)溫度轉(zhuǎn)換吩咐寫(xiě)溫度轉(zhuǎn)換吩咐0x44H否否延時(shí)延時(shí)750us?是是復(fù)位復(fù)位DS18B20寫(xiě)跳過(guò)寫(xiě)跳過(guò)ROM匹配吩咐0CCH寫(xiě)讀溫度字節(jié)吩咐寫(xiě)讀溫度字節(jié)吩咐0BEH讀溫度讀溫度讀溫度值返回讀溫度值返回圖11溫度采集流程3.3PWM限制模塊本設(shè)計(jì)PWM輸出采納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限制流程如下：起先計(jì)算所需占空比PCA時(shí)鐘設(shè)定PCA時(shí)鐘設(shè)定啟動(dòng)PCA時(shí)鐘啟動(dòng)PCA時(shí)鐘返回圖12PWM限制流程3.4核心限制算法本設(shè)計(jì)采納bang-bang限制，這種限制方式在某些方面具有比常規(guī)PID限制較為優(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)上也具有肯定的改善。本文設(shè)計(jì)將設(shè)定溫度劃分若干小區(qū)間，對(duì)于不同的設(shè)定溫度區(qū)間，MCU限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)采納初始的占空比來(lái)限制半導(dǎo)體制冷片；當(dāng)溫差小于3°C大于0.5°C時(shí)，MCU單元削減占空比，系統(tǒng)采納此時(shí)的占空比來(lái)限制半導(dǎo)體制冷片，此時(shí)對(duì)半導(dǎo)體制冷片的限制作用減弱；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)體制冷片的限制，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)體制冷片的限制，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)，系統(tǒng)又用小占空比PWM波對(duì)制冷片限制，溫差小于0.5°C時(shí)，再次停止限制；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。起先依據(jù)設(shè)置溫度，確定初始占空比依據(jù)設(shè)置溫度，確定初始占空比MCU輸出PWM，進(jìn)行控溫MCU輸出PWM，進(jìn)行控溫YY溫差小于溫差小于3°C削減占空比NNMCU輸出小占空比PWM，進(jìn)行控溫MCU輸出小占空比PWM，進(jìn)行控溫溫差小于溫差小于0.5°C削減占空比NNYYMCU停止限制MCU停止限制Y循環(huán)檢測(cè)溫差Y循環(huán)檢測(cè)溫差大于0.5°CNN結(jié)束圖圖13核心限制流程調(diào)試4.1人機(jī)界面機(jī)界面部分采納VB6.0編寫(xiě)。運(yùn)用VB6.0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)前溫度的曲線等。實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度曲線實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度曲線手動(dòng)輸入須要設(shè)置的溫度值手動(dòng)輸入須要設(shè)置的溫度值按下按鈕，設(shè)定新的溫度值按下按鈕，設(shè)定新的溫度值設(shè)定值與實(shí)時(shí)值得偏