传感与控制-基于半导体制冷器的微机温控显微系统

基于半导体制冷器的微机温控显微系统徐晓斌刘长敏陈照章黄永红（江苏大学电气信息工程学院，212013，镇江）A microscope system with computer-controlled temperature based on thermal electrical coolerXu Xiaobin Liu Changmin Chen Zhaozhang Huang Yonghong( School of Electronics and Information Engineering, Jiangshu University, Zhenjiang 212013, China)摘要：本文介绍了一种精密温控显微系统，利用半导体制冷器进行降温、升温和恒温控制。

该系统使用PC 机作为控制平台，采用自整定PID算法，调节输出PWM波的占空比来控制半导体制冷器的输出功率。

人机界面友好，控制精度高，温度范围-20 o C～60 o C，温控精度可达±0.1o C。

关键词：温度控制 半导体制冷器 自整定PID算法 PWMAbstract: A precise temperature control system for microscope is provided in this paper. The system is made up of semiconductor cooler (TEC, thermal electrical cooler) which is controlled by a PC with PID arithmetic. And use the duty ratio of PWM to control the output power of TEC. Temperature range reaches -20 o C～60 o C and the error of the temperature controlled is±0.1o C.Keywords: temperature control semiconductor cooler self-setting PID arithmetic PWM中图分类号：TP273.24 ，TB663 文献标识码：A1 引言随着低温生物学、低温超导技术和低温光电子技术的发展，要求有能够提供低温环境的显微镜，观察样品在低温下的各种现象，如细胞内外冰晶的形成、细胞外形尺寸的变化，帮助探究某些材料的低温特性，也可为生物材料的低温保存提供依据。

目前的低温显微镜多为大型非固态系统，采用微电脑控制电磁阀调节液氮输出进行降温[1，2]。

但它具有明显的缺点：一、结构复杂，成本较高；二、电磁阀工作在低温条件下，易被损坏，可靠性差；三、样品冷却腔和液氮输送管道等暴露在环境中，液氮消耗量较大；四、降温或升温速率的控制范围窄，无法实现超快速降温、升温，最好的升温速率也只能是样品暴露在环境中的自然升温，而在研究低温保存问题时，试样的复温曲线尤其重要。

本文设计了一种基于半导体制冷片和电脑摄录型生物显微镜的温控显微系统。

控制核心采用PC机，人机界面友好，响应快速，控制精度高，可实现降温、升温和恒温控制，用于实验室观测电磁场对生物体低温保存的影响效果很好。

2 系统简述本文所设计的温控显微系统由PC机(内插12位A/D数据采集卡)、铂电阻温度传感器、小信号调理板、光电隔离器，H桥驱动芯片，半导体制冷器、水冷散热系统及电脑摄录型显微镜组成，构成闭环控制回路，系统框图如图1所示。

控制程序采用自整定PID控制算法控制PC机产生PWM波的占空比，从数据采集卡的数字量输出接口输出，通过H桥驱动芯片控制TEC的电流，从而控制TEC的制冷量，实现对样品的温度控制。

图1 微机温控显微系统框图图2 铂电阻调理板电路原理图3 硬件设计3.1 铂电阻温度采集单元本系统采用铂电阻温度计（WZP Pt100）作为温度传感器，铂电阻具有精度高、线性度好，性能稳定可靠的特点，尤其在氧化性介质中，高温、低温下的物理、化学性质都很稳定。

为在实验中能比较制冷器冷端环境温度与试样内部温度，将两个铂电阻分别置入制冷片导热板及试样中进行检测。

小信号阻调理板采用三线恒流激励方式，可有效消除引线电阻与接触电阻对测量结果的影响。

电路原理如图2所示。

铂电阻到调理板用三条线连接，其中一条线接在铂电阻的一端，而另外两条线连在铂电阻的另一端。

电流由两线中的一线流下为2mA ，两线中的另一线、铂电阻和铂电阻之后的那一线分别流过1mA 电流。

这样通过差分放大器，可减掉三条导线上的压降，从而准确地测出铂电阻电压。

放大后的信号经滤波后输入到A/D采集卡中。

3.2 半导体制冷器半导体制冷器又称为热电制冷器（TEC，thermal electrical cooler ），其基本原理是P-N 结的帕尔帖效应,即当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象。

其制冷量c Q 和散热量h Q 的大小可以由如下表达式描述：212c c Q IT I R k T α=−−∆ （1） 212h h Q IT I R k T α=+−∆ （2） 其中：α为热电系数，c T 为冷端温度，h T 为热端温度，I 为工作电流 R 为半导体电阻，k 为导热率，T ∆为冷热端温差。

当电流由半导体P-N结的N型半导体流向P型半导体时，形成电子-空穴对而吸收热量，相反，则电子-空穴对结合而释放热量，利用半导体的这种特性就可以实现制冷或加热的功能。

其主要特点有:(1) 功能全, 制冷/ 制热两用, 温度调节范围较大, 而且调节转换方便。

(2) 制冷量连续可调, 温度升降速度快且调节自由。

(3) 其体积小、重量轻、结构简单、控制自由简便。

本系统所用半导体制冷片型号为FPH1-12705。

它是一种陶瓷式半导体制冷器，由127对P-N结串联而成，引出两根导线。

允许通过的最大电流 I max = 5.0 A，最大电压V max = 15.4 V，室温下最大制冷温差ΔT max = 68℃，最大制冷量Q max = 45 W。

加上电源时，一端吸热，温度降低的表面为冷端；一端放热，温度升高的表面为热端，如颠倒两根导线的接法，则冷热端也会颠倒[3]。

因此当一端使用水冷散热时，通过改变电流方向即可制冷和加热。

受环境以及热损耗影响，实际实验过程中，可以调节的温度范围在-20 o C～60 o C之间。

如用多片半导体制冷器级联即可获得更大的制冷量。

3.3 电脑摄录型显微镜观测系统由式（1）可知半导体制冷器件具有热端温度越高、冷热端温差越大、制冷量越小、效率越低的特点。

因此若想提高半导体制冷器的效率, 就必须控制器件的热面温度, 使之不能太高[4]。

因此有效散热是半导体制冷技术中的重要环节。

本系统对普通电脑摄录型显微镜进行了改装，主要是增加了热端水冷式低温台部分，采用效率较高的循环液冷散热，冷却液采用添加了冰块的水。

由于冰水混合物的温度恒定约为0 ℃,这相当于流入散热器的水温度都保持在0℃左右。

制冷器通电后很快降温，并保持长时间低温。

经实验可在3分钟内将一滴水完全冻洁。

热端水冷式散热方法具有其它散热式无可比拟的优势。

同时将载物台的垂直移动齿轮改装，增大载物台到物镜的垂直距离，以便放置较大体积的制冷腔体；并增加了垂直照明系统，便于观测不透明，或冻结后不透明的样本；由于观测过程中需要对生物样本进行冷冻，而照明系统中使用的是卤素光源产生大量的热，会对降温强度产生一定影响，因此，将之替换为冷光源；显微镜顶端配有高分辨率摄像机，并与插于计算机主板的PCI图像采集卡相连，将观测到的生物样本变化过程的影像传送到电脑中，便于实时观测和实验后的分析研究。

3.4 H 桥驱动芯片TLE5206-2为了实现对样品的降温/升温控制，需要执行部件对半导体制冷器能够输入正/反向电流，H 桥型驱动电路能很好的满足此设计要求。

本系统采用英飞凌公司的H 桥驱动芯片TLE5206-2。

TLE5206-2内部包括了功率MOSFET 的H 桥电路，具有较高的开关速度以及较高的噪声容限和抗干扰能力，驱动能力强，可直接驱动半导体制冷器工作。

最大工作电压40V ，最大工作电流为连续电流5A ，峰值电流6A ；具有输出短路保护，过热保护；CMOS/TTL电平输入；工作温度范围-40 o C～150 o C之间。

芯片与数据采集卡通过光耦TLP521的连接电路如图3所示,数据采集卡I/O口输出值与芯片输入输出逻辑见表1。

图3 H 桥驱动芯片电路原理图I/0口输出IN1IN2OUT1OUT20 L L L L停止 2 L H L H 反向电流，升温1 H L H L 正向电流，降温3 H H H H停止表1 TLE5206-2 功能真值表4 控制程序设计4.1 控制流程简述控制程序用Visual Basic语言编写,控制流程如图4 所示。

首先对A/D采集卡进行初始化, 数字量输出口输出为0；第一次采集温度并显示在屏幕上, 作为设置控温点的参考；利用自整定PID算法将控温值与当前采集的温度值进行比较, 计算出第一次电流控制数据并输出； 扫描键盘, 确定是否更改控温点或是ESC 退出；经过采样延迟时间后,进行第二次温度的采集、PID 控制, 如此循环直至接受键盘命令退出控制程序, 退出前仍需对数字量I/O口输出0，使半导体制冷器中的电流为零。

图4 软件流程图4.2 数字化自整定PID 调节器PID 调节器由于能够较好地兼顾系统动态控制和静态性能, 因此在工程中得到了很普遍的应用。

利用计算机实现传统的PID控制是设计计算机控制系统的一种方便、常用的方法。

对连续系统PID 离散化后可得到数字化调节器, 其增量式为:()()1122d n p n n n n n n i T T u K e e e e e e T T −−−⎡⎤∆=−++−+⎢⎥⎣⎦其中： T ：采样周期；p K ：比例系数；i T ：积分时间；d T ：微分时间；i e ：i 时刻的误差值(),1,2i n n n =−−。

根据Ziegler-Nichols 条件,令T = 0.1k T ；i T = 0.5k T ；d T = 0.125k T ；其中, k T 为被控系统的临界振荡周期。

将上述条件代入增量式PID 算式得出；()122.45 3.5 1.25n p n n n u K e e e −−∆=−+这样PID调节器就简化为只需整定一个参数p K 。

在本系统中,控制程序在线寻优p K 值, 实现控制参数的自整定，直到获得满意的控制效果。

在控制程序中,()1n n n n u u u u −=+∆的值作为PWM波的占空比送给PWM子程序,n u 的值限定的0～100 之间,若n u < 0,则令其为0，若n u > 100，则令其为100，本系统中p K 的初值为100。