基于半导体制冷片的温度采集控制系统的设计_李会冬(1)

Design of temperature acquisition and control system based on semiconductor chilling plate
LI Hui-dong， ZHANG Jian-min， WANG Hao-zhou
（School of Electronic Engineering， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）
同时与设定的温度值进行比较，所得值的偏差通过模 糊PID算法进行调整处理，单片机控制半导体制冷片 功率驱动电路，使半导体制冷片加热或者制冷，以达 到设定的工作温度环境。
2 硬件电路设计
2.1 基准电压电路 基准电压在A/D转换电路和PT100恒流源电路中
极为重要，直接影响着转换参数的准确度，为此，这里 采用高精度参考电压源LM336为其提供基准电压，其 电路如图2所示。
GND
V+5
C3 REF+2.5 V 0.1 μF
REF+
R1 2.5 kΩ
D1
RH1 100 kΩ
REF-
D2
GND
U3
5 1 2 REF- 4
ADJ V+ NC NC NC NC V- NC
8 3 6 7
LM336BM2.5
图2 基准电压电路
LM336[3]集成电路是精密的2.5 V并联稳压器，其 工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2 Ω的 2.5 V齐纳二极管，其中，微调端可以使基准电压和温 度系数得到微调。 2.2 PT100调理电路的设计
为桥臂上下2个功率器件的驱动脉冲信号的输入 端，与单片机的I/O口相连。OUT+、OUT-与半导体制 冷片连接。当IN1 = 1、IN2 = 0时，Q1、Q4导通，Q2、 Q3截止，半导体加热；当IN1 = 0、IN2 = 1时，Q3、Q2 导通，Q1、Q4截止，半导体制冷；而当IN1 = 0、IN2 = 0 时半导体关闭。值得注意的是，制冷片正在工作时不 得瞬间通反向电压，必须在停止工作5 min之后，再通 反向电压。
第1期
李会冬，等：基于半导体制冷片的温度采集控制系统的设计
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2.4 半导体制冷片驱动电路 功率驱动部分采用2片IR2110和4片MOSFET构成
的H桥驱动电路驱动半导体制冷片，如图6所示。 IR2110 是 IR 公 司 生 产 的 大 功 率 MOSFET 和 IGBT
专用驱动芯片，同时具有独立的高低端输出双通道， 悬浮电源采用自举电路，高端工作电压可达500 V[8-9]。 IR2110的这些特点可以为驱动电路的设计带来很多 的方便。MOSFET选用IFRZ44N，其最大工作电压为55 V，最大电流为49 A，导通电阻为17.5 mΩ[10]。HIN、LIN
1 系统的工作原理
系统硬件总体框图如图1所示。整个系统设计包 括：核心控制模块、传感器模块、基准电压模块、A/D转 换模块、显示模块、功率驱动模块和串口模块。
基准电压源由LM336为PT100和AD7705提供2.5 V 的基准电压。由OP07构成的恒流源激励温度传感器 PT100产生电压信号，经过由INA141构成的放大调理 电路，将电压送入由AD7705构成的A/D转换电路进行 A/D转换，在单片机P89V51的处理下，完成对电压-温 度值的转换后，送入LCD1602进行显示和上位机采集，
图5 AD7705和单片机接口电路
12 V
12 V
12 V
C13
U6
0.22 μF
IN1 10 D3IN2 12
HIN LIN
VDD VCC
9 3
C16
5
6
0.22 μF
11
GND
2
13
VS VB
SD COM VSS
HO LO
7 1
R3 1 kΩ
NC 4
R6 1 kΩ
NC 8
NC 14
IR2110 GND
-
VIN
2
1
G=10
或
G=100
8
+
VIN
3
过压保护 252 Ω
5.05 kΩ
252 Ω 过压保护
V+ 7
+
A1 -
40 kΩ
25 kΩ
25 kΩ -
A2 +
40 kΩ
4 V-
40 kΩ -
A3 +
40 kΩ
6 Vo 5 Ref
图4 INA141内部结构图
2.3 A/D电路和单片机接口的设计 A/D电路采用AD公司推出的16位Σ-Δ A/D转换器
第 23 卷 第 1 期 2013 年 3 月
天津职业技术师范大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Vol.23 No.1 Mar. 2013
基于半导体制冷片的温度采集控制系统的设计
李会冬，张建民，王浩州
（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）
-12 V0.1 μF
GND
GND
图3 恒流源与放大调理电路
阻，以提高系统的精确性。 由于PT100上的电压差信号比较微弱，直接将该
信号送入A/D采集会影响测量精度，因此要将此微弱 的压降信号进行放大，输出期望的电压信号，以提高 测量精度。放大部分采用INA141芯片，INA141是一款 精密低功耗、通用仪表放大器，其内部由3个运放共同 组成差分放大电路[5]，其内部结构如图4所示。INA141 通过简单的脚连接就可精确设置增益G = 10或G = 100 ，而 无 需 外 部 电 阻 ，内 部 输 入 保 护 使 其 能 够 经 受 ±40 V电压而不会损坏。当1脚和8脚悬空时G = 10，而 当它们短接时G = 100。本设计采用G = 10，输出放大 10倍。例如，0 ℃时，PT100的阻值为100 Ω，放大输出 后，输入AD7705的电压V = 1 mA × 100 Ω × 10 = 1 V。
C17 5 6
D4 0.22 μF
11
2
GND
13
GND
图6 半导体制冷片驱动电路
由于铂电阻性能稳定，响应迅速，测量精确度高， 测量范围宽等诸多优点，因此本系统采用PT100作为 温度传感器。PT100的调理电路由恒流源电路和放大 电路构成，如图3所示。
恒流源电路采用高增益、低失调电压的高精密运 放OP07。设计中实际控温范围为0~80 ℃，铂电阻 PT100的阻值范围为100~130.89 Ω，由R2 = 2.5 kΩ可 知，流经PT100的电流I = 2.5 V/2.5 kΩ = 1 mA，其输出 的电压为0.1~0.130 89 V，而PT100上的压降只与其自 身变化的电阻值有关[4]。为减小误差，R2采用精密电
AD7705[6]。内部由多路模拟开关、缓冲器、可编程增益 放大器（PGA）、Σ-Δ调制器、数字滤波器、基准电压输 入、时钟电路以及串行接口组成。
AD7705与单片机P89V51之间通过3线模式的SPI 接口进行通信[7]。SCLK是串行通信时钟输入，DOUT向 处理器输出串行数据，单片机通过DIN向AD7705片内 寄存器发送数据，而DDY是判断数据是否更新完毕的 信号。电路中采用晶振频率为2.457 6 MHz，程序设置 其增益为1，数据的更新速率为50 Hz，单级模式， AD7705与单片机P89V51的连接如图5所示。
摘 要： 针对半导体制冷片自身所具有的优点，设计了基于半导体制冷片的温度采集控制系统。介绍了温度采集控 制系统的硬件、软件设计。硬件主要由温度采集模块和半导体驱动电路构成，温度采集模块由 PT100 及其调理电路 和 A/D 转换电路构成，IR2110 和 IRFZ44N 构成半导体驱动电路；程序的设计采用了模糊式 PID 算法，以提高系统的 性能；上位机软件采用 Visual Basic 6.0 编写。测试结果表明：该系统具有测量精确度高、可靠性好、误差小的特点，可 以实现 0~80 ℃的控温，精度达 0.5 ℃。 关键词： 半导体制冷片；PT100；IR2110；模糊 PID 中图分类号： TP274.2 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 0926（2013）01 － 0021 － 04
Abstract ： According to the inherent advantage of semiconductor chilling plate , the temperature acquisition and control system based on semiconductor chilling plate is designed in this paper . The hardware and software design of temperature acquisition and control system is introduced . Hardware of the system mainly consists of temperature acquisition module and semiconductor driver circuit . Temperature acquisition module is constituted by PT100 and its modulator circuit and A / D conversion circuit . IR2110 and IRFZ44N comprised the semiconductor driver circuit ; due to the fuzzy type PID algorithm in design of the program , the performance of the system improved ; the host computer software is written using Visual Basic 6 . 0 . The experiments show that the system works well with high accuracy , good reliability and minor error , with temperature control between 0 - 80 ℃ ， precision of 0 . 5 ℃ . Key words： semiconductor chilling plate； PT100； IR2110； fuzzy PID
收稿日期： 2012-11-08 作者简介： 李会冬（1987—），男，硕士研究生；张建民（1954—），男，教授，硕士生导师，研究方向为信号处理理论及应用.
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天津职业技术师范大学学报
第 23 卷
调理电路
A/D转换电路
PT100
单
基准电压源
片
机
显示
半导体制冷片 功率驱动电路
RS232上位机
图1 系统硬件总体框图
Q1 IRFZ44N
Q2 IRFZ44N
OUT+ OUT-
Q3 IRFZ44N
Q4 IRFZ44N
GND
C14 U7
9 VDD 0.22 μF 3 VCC R4 1 kΩ 7 HO
1 LO R5 1 kΩ
4 NC 8 NC 14 NC
IR2110
HIN LIN
VS VB
SD COM VSS
10 IN2 12 IN1
半导体制冷片又叫做热电制冷片，是利用特殊半 导体材料构成的PN结，形成热电偶对，产生帕尔帖效 应[1]。半导体制冷与其他方式制冷相比具有以下优点[2]： 结构简单，没有机械运动部件，无噪音，无磨损，寿命 长，可靠性高；体积小，重量轻，维修更换方便；制冷、 加热速度快，控制灵活可靠；不使用制冷剂，无污染； 冷、热转换有可逆性，只要改变电流方向，就可使半导 体制冷片在制冷与加热模式之间转换。半导体制冷片 的这些优点，使其已应用于各个行业。本文研制的温 度采集控制系统，用于控制半导体制冷片在工作时的 温度，使其稳定在设定的温度上，可以应用于小型恒 温医疗、家用电器等领域，具有广泛的应用范围。
2.5 V
PT100-
+12 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱC1
PT100
1
GND
GND 2 -
PT100+3 +
7
0.1μF 8 OP07AZ U2 6 PT100+
5
C4
C5
GND
U1
1
8
J J
2 3
ININ+
4 -V
+12 VC2 +V 7
0.1 μF OUT 6 AINI
5 REF
4
R2 2.5 kΩ
GND 0.1 μF -12 V INA141UA GND