基于單片機的精密溫控系統(tǒng)設計
0 引言
輻亮度標準探測器[1~3]是基于探測器的輻射定標中的關鍵組成部分,其光學核心部件濾光片輻射計的響應度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標準探測器的精度和穩(wěn)定性,本文設計了一種基于單片機精密溫度控制系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)具有精度高、體積小、穩(wěn)定性好的特點,應用前景廣闊。
1 系統(tǒng)硬件設計
本文所設計的精密溫控系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機、12位DA轉(zhuǎn)換器AD7248A[8]、半導體制冷器TEC、大電流驅(qū)動OPA548[9]、鍵盤、VFD顯示屏和RS-232串口通訊電路組成,其原理框圖如圖1所示。
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單片機根據(jù)DS18B20測得被控對象濾光片輻射計的溫度,與設定置相比較,經(jīng)過PID[10]控制算法調(diào)整DA的輸出電壓,進而控制半導體致冷器TEC進行制冷或加熱實現(xiàn)被控對象的恒溫,同時由顯示屏實時顯示當前溫度。各主要模塊簡介如下:
1.1 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20
DS18B20是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字式溫度傳感器,采用TO-92封裝。它具有獨特的單總線接口方式,將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線復用為一根信號線,輸入輸出均為數(shù)字信號。這使得其與單片機接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的AD轉(zhuǎn)換器及其它復雜外圍電路的缺點,由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。
DS18B20主要性能指標:(1)測溫范圍:-55~125℃,測量最高分辨率為0.0625℃,這是本系統(tǒng)實現(xiàn)控制精度要求的關鍵;(2)無需任何外圍元件,可以直接輸出溫度值的9~12位串行數(shù)字量;(3)溫度轉(zhuǎn)換最大時間為750ms;(4)用戶可以設定報警溫度,存儲于EEPROM中。
1.2 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7248A
本系統(tǒng)所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC是美國 Analog Devices 公司的生產(chǎn)的AD7248A。這是一種帶有片載內(nèi)置輸出放大器和基準電壓源的 12 位低功耗并行 DA轉(zhuǎn)換器,其數(shù)據(jù)輸出建立時間只需 30ns, 12 位數(shù)據(jù)以高 8 位和低 4 位分兩次寫入輸入鎖存器。在雙極性供電模式下,能產(chǎn)生±5V 的輸出電壓??紤]到溫控模塊中的半導體致冷器件工作時需要雙極性電壓的特點,這里選擇雙極性供電工作模式。
1.3 大電流驅(qū)動OPA548
由圖 1 溫控系統(tǒng)框圖可以看到,12 位 DA芯片輸出的電壓信號要送往半導體致冷器,通過控制流過致冷器的電流大小進而控制濾光片的溫度高低。但從AD7248A 輸出的電壓信號,其電流驅(qū)動能力不夠強,因此需要加入電流驅(qū)動電路。設計中我們選用Burr-Brown 公司的大電流驅(qū)動集成芯片 OPA548,它可以提供峰值達5A連續(xù)3A的驅(qū)動電流。本系統(tǒng)采用雙極性供電模式,以配合DA轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出,驅(qū)動半導體致冷器TEC實現(xiàn)加熱或制冷。
1.4 半導體致冷器TEC
基于Peltier效應的熱電致冷器是由多對熱電致冷對在電氣上串聯(lián)、在熱傳導上并聯(lián)組成,如圖2所示。熱電對由鉍碲化合物摻雜形成的 P 型和 N 型半導體構(gòu)成,它們與銅片相接,銅片則與電氣上絕緣而導熱良好的瓷板相連接。單個這樣的器件兩端的溫差最高可達 70℃,串聯(lián)(多層)使用可提高溫差,并聯(lián)使用則可增加泵熱能力。
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熱電致冷器件特別適合于小熱量和受空間限制的溫控領域。改變加在器件上的直流電的極性即可變致冷為加熱,而吸熱或放熱率則正比于所加直流電流的大小。Pe1tier 溫控器的設定溫度可以在一個較寬的范圍內(nèi)任意選擇,可選擇低于或高于環(huán)境溫度。
在本系統(tǒng)中我們選用了天津藍天高科電源有限公司生產(chǎn)的半導體致冷器件 TES1-12739,其最大溫差電壓 14.7V,最大溫差電流3.9A最大致冷功率33.7W。
1.5 其它部分
系統(tǒng)采用Samsung(三星)公司生產(chǎn)的真空熒光數(shù)碼顯示屏 VFD用來實時顯示當前溫度,以觀察控制效果。鍵盤和串行通信接口用來設定控制溫度和調(diào)整PID參數(shù)。系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。
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2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)開始工作時,首先由單片機控制軟件發(fā)出溫度讀取指令,通過數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采樣被控對象的當前溫度值T1并送顯示屏實時顯示。然后,將該溫度測量值與設定值T比較,其差值送 PID控制器。PID 控制器處理后輸出一定數(shù)值的控制量,經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換為模擬電壓量,該電壓信號再經(jīng)大電流驅(qū)動電路,提高電流驅(qū)動能力后加載到半導體致冷器件上,對溫控對象進行加熱或制冷。加熱或制冷取決于致冷器上所加電壓的正負,若溫控對象當前溫度測量值與設定值差值為正,則輸出負電壓信號,致冷器上加載負電壓溫控對象溫度降低;反之,致冷器上加載正向電壓,溫控對象溫度升高。上述過程:溫度采樣-計算溫差-PID調(diào)節(jié)-信號放大輸出周而復始,最后將溫控對象的溫度控制在設定值附近上下波動,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,波動幅度會逐漸減小到某一很小的量,直至達到控制要求。為了加快控制,在進入PID控制前加入了一段溫差判斷程序。當溫度差值大于設定閾值Δt時,系統(tǒng)進行全功率加熱或制冷,直到溫差小于Δt才進入PID控制環(huán)節(jié)。圖4為系統(tǒng)工作主程序的軟件流程圖.
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3 結(jié)論
本文設計的基于單片機數(shù)字PID控制的精密溫度控制系統(tǒng),在實際應用中取得了良好的控制效果,溫度控制精度達到±0.1℃。經(jīng)48小時連續(xù)運行考驗,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,有效地降低了輻亮度標準探測器的溫度系數(shù),使輻亮度標準探測器在溫度變化較大的環(huán)境中也能保持其高精度,為實現(xiàn)基于探測器的高精度輻射定標的廣泛應用奠定了基礎。
本文作者創(chuàng)新點:在原來基于PC的PID溫控系統(tǒng)的基礎上,設計了由單片機、數(shù)字式溫傳感器DS18B20和半導體致冷器組成的精密溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)的應用為高精度光輻射測量儀器-輻亮度標準探測器的小型化、智能化提供了有利條件。