基于半导体制冷片的温度控制系统的设计

基于半导体制冷片的温度控制系统的设计

摘要:设计一种用于红外传感器工作温度调节控制的模块,使红外传感器在低温下工作,以提高红外传感器的探测性能。通过以mega16芯片为核心,以半导体制冷片为制冷元件,以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统[1]。实验结果表明,半导体制冷温度控制系统能够为红外探测器提供所需的工作温度。

关键词:温度半导体制冷片PID算法

温度对红外传感器有比较大的影响,当外界环境温度发生变化时,红外传感器对所测量的物理量会有较大的变动,影响其测量值的准确性[2],产生较大的外界噪声干扰,所以当进行精确测量时,将红外传感器控制在一个恒定的温度下,可以大大提高探测精度,减少误差。

1 半导体制冷器的工作原理

半导体制冷也称热电制冷,是一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,半导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法,利用帕尔贴效应的原理达到制冷目的。

帕尔帖效应:当电流I通过由两种不同材料组合成的闭合回路时,在材料的接头处一端会吸收热量Qp,另一端会放出热量Qp。这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热,其吸热或放热由电流的方向决定,大小由公式决定。

π为帕尔帖系数,与温差电动势率有关,为组成回路两种材料的温差电动势率,T为相关接头的温度。作为一种制冷源,半导体冷片可连续工作,不需要制冷剂,没有污染源和机械运动部件,不会产生回转效应,是一种固体元件,工作时没有噪音、震动、寿命长,安装容易。半导体制冷片是电流换能型器件,通过控制输入电流,可实现高精度的温度控制。热惯性小,制冷制热时间比较快,在热端散热良好冷端空载的情况下,可迅速达到最大温差。

2 温度控制系统的组成

半导体温度控制系统结构框图如图1,由制冷片引起的温度变化经温度传感器传送给控制器,与设定的温度进行比较,所得的信号偏差通过PID进行调整处理,由控制器发出命令信号,通过驱动电路驱动半导体制冷片进行制热或者制冷,以达到红外传感器的工作温度环境。

3 硬件系统设计

本控制系统主控单元采用的是ATMEL公司A VR系列的Atmega16单片机。Atmega16是一款基于RISC结构的高性能低功耗的8位微处理器。内部有丰富的硬件资源:16K字节的系统内可编程Flash,512字节的EEPROM,1K字节的片内SRAM,32个可编程IO口,四通道的PWM,8路10位ADC,两个可编程的串行USART,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。本系统所要完成的任务是对温度进行比较,并且对比较结果进行处理,将处理结果控制输出,实现制冷或者很稳的功能,Atmega16内部资源丰富并且功能强大指令效率高,完全符合本系统的要求,并且能够提高系统的可靠性。

3.1 温度测量电路

温度测量部分使用的是美国DALASS公司生产的数字温度传感器,它的体积小,使用方便,单线的接口方式,一条线即可实现DS18B2

与微处理器的双向通讯。温度测量范围－55℃～＋125℃,固有测温分辨率0.5℃。在使用中不需要任何外围元件,该DS18B20可提供9至12位可编程设备温度读数。读写数据以及温度转换可以从数据线本身获得能量,不需要另接电源。DS18B20在出厂时以配置为12位,读取温度时共读取16位,把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度,此外还需要判断温度的正负。前5个位为符号位,前5位为1时,温度为负,当前5位为0时,温度的数值为正。连接方式如图2所示。

3.2 制冷器的控制与驱动

制冷片的驱动采用的英飞凌公司的智能功率芯片BTS7960作为驱动芯片,

由两个半桥驱动芯片BTS7960组合成一个H桥驱动。BTS7960是大电流半桥高集成芯片,它带有一个N沟道的低边MOSFET、一个P沟道的高边MOSFET和一个IC驱动。P沟道高边开关对电荷泵的需求省去了, 因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16mΩ,驱动电流可达43A。图3为半导体制冷片的驱动电路。

两片BTS7960构成全桥驱动,mega16的PD6连接芯片的使能控制,当PD6的输出电平为高电平时,对芯片进行使能操作(INH=1)。通

过单片机IO口PD5、PD7提供不同电平值,向控制的半导体制冷片提供不同方向的电流,进行制冷或者制热,以达到不同的控制效果。

3.3 按键调节与数码管显示设计

对系统进行温度调节时,分别设计了按键调节和数码管显示两个模块。需要设定调节温度时,通过按键进行处理。设计了四个按K1、K2、K3、K4。当不需要进行温度调节时,没有按键按下,数码管显示为当前实际测得的温度值。开始对温度进行调节时,K1按下,数码管显示为温度设定的初始状态值,K2、K3分别为温度设定值得增和减。对温度的设定完成之后,按下K4键,数码管显示返回温度实时显示,同时开始了对温度的比较与调节。

4 系统软件设计

4.1 系统工作流程

当系统上电启动后,首先进行系统的初始化。单片机上电或者复位后,进入主程序,对I/O口、定时器、串行口等进行初始化。经过初始化后,系统的各个部分准备就绪,可以进行工作。首先进行温度测量,实时显示温度,然后由按键输入需要设定的温度,温度设定之后,程序启动温度比较,当设定温度大于实时温度时,开始升温调节。当设定温度小于实时温度时,制冷片进行降温处理。

系统的温度调节过程分为两阶段,在温度调节的过程中,当温差大于1℃时,调节速度为全速,当温差小于1℃时,开始进入PID调节模式。

4.2 PID控制的实现

由于来自外界的干扰不断产生,要想达到现场控制目标的恒定,控制作用就必须不断进行。如果现场控制值发生变化,检测元件就会把这种变化采集后送至PID控制器的输入端,并且与系统设定的值进行比较得出偏差,调节器按照偏差值以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号,去改变调节器,从而使现场控制对象发生改变,趋向于设定值,从而达到控制目的。

PID控制有两种方式,位置式和增量式。本文采用了增量式控制方式。由于计算机基于采样控制理论,计算方法不能采用传统的模拟PID 控制算法,必须将控制模型离散化,可以得出下式,位置式控制算法。

将温度传感器得到的数值作为输入,与设定值进行比较得出偏差,然后再进行PID运算得出结果进行输出,根据输出结果进行PWM控制输出,控制半导体制冷片的工作状态。

5 结语