基于单片机的精密温控系统设计

0 引言
辐亮度标准探测器[1~3]是基于探测器的辐射定标中的关键组成部分，其光学核心部件滤光片辐射计的响应度受温度变化影响较大[3,4]。为了保证辐亮度标准探测器的精度和稳定性，本文设计了一种基于单片机精密温度控制系统[5]。该系统具有精度高、体积小、稳定性好的特点，应用前景广阔。

1 系统硬件设计
 本文所设计的精密温控系统主要由数字温度传感器DS18B20[6,7]、AT89C55单片机、12位DA转换器AD7248A[8]、半导体制冷器TEC、大电流驱动OPA548[9]、键盘、VFD显示屏和RS－232串口通讯电路组成，其原理框图如图1所示。
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单片机根据DS18B20测得被控对象滤光片辐射计的温度，与设定置相比较，经过PID[10]控制算法调整DA的输出电压，进而控制半导体致冷器TEC进行制冷或加热实现被控对象的恒温，同时由显示屏实时显示当前温度。各主要模块简介如下：
1.1 数字式温度传感器DS18B20
DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的新一代数字式温度传感器，采用TO－92封装。它具有独特的单总线接口方式，将地址线、数据线、控制线复用为一根信号线，输入输出均为数字信号。这使得其与单片机接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的AD转换器及其它复杂外围电路的缺点，由它组成的温度测控系统非常方便,而且成本低、体积小、可靠性高。
DS18B20主要性能指标：（1）测温范围：-55～125℃，测量最高分辨率为0.0625℃，这是本系统实现控制精度要求的关键；（2）无需任何外围元件，可以直接输出温度值的9～12位串行数字量；（3）温度转换最大时间为750ms；（4）用户可以设定报警温度，存储于EEPROM中。
1.2  12位数模转换芯片AD7248A
本系统所选用的数模转换器 DAC是美国 Analog Devices 公司的生产的AD7248A。这是一种带有片载内置输出放大器和基准电压源的 12 位低功耗并行 DA转换器，其数据输出建立时间只需 30ns, 12 位数据以高 8 位和低 4 位分两次写入输入锁存器。在双极性供电模式下，能产生±5V 的输出电压。考虑到温控模块中的半导体致冷器件工作时需要双极性电压的特点，这里选择双极性供电工作模式。
1.3 大电流驱动OPA548
由图 1 温控系统框图可以看到，12 位 DA芯片输出的电压信号要送往半导体致冷器，通过控制流过致冷器的电流大小进而控制滤光片的温度高低。但从AD7248A 输出的电压信号，其电流驱动能力不够强，因此需要加入电流驱动电路。设计中我们选用Burr-Brown 公司的大电流驱动集成芯片 OPA548，它可以提供峰值达5A连续3A的驱动电流。本系统采用双极性供电模式，以配合DA转换器的双极性输出，驱动半导体致冷器TEC实现加热或制冷。
1.4 半导体致冷器TEC
基于Peltier效应的热电致冷器是由多对热电致冷对在电气上串联、在热传导上并联组成，如图2所示。热电对由铋碲化合物掺杂形成的 P 型和 N 型半导体构成，它们与铜片相接，铜片则与电气上绝缘而导热良好的瓷板相连接。单个这样的器件两端的温差最高可达 70℃，串联（多层）使用可提高温差，并联使用则可增加泵热能力。

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热电致冷器件特别适合于小热量和受空间限制的温控领域。改变加在器件上的直流电的极性即可变致冷为加热，而吸热或放热率则正比于所加直流电流的大小。Pe1tier 温控器的设定温度可以在一个较宽的范围内任意选择，可选择低于或高于环境温度。
在本系统中我们选用了天津蓝天高科电源有限公司生产的半导体致冷器件 TES1－12739,其最大温差电压 14.7V,最大温差电流3.9A最大致冷功率33.7W。
1.5 其它部分
系统采用Samsung（三星）公司生产的真空荧光数码显示屏 VFD用来实时显示当前温度，以观察控制效果。键盘和串行通信接口用来设定控制温度和调整PID参数。系统电路原理图如图3所示。

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2  系统软件设计
 系统开始工作时，首先由单片机控制软件发出温度读取指令，通过数字温度传感器 DS18B20 采样被控对象的当前温度值T1并送显示屏实时显示。然后，将该温度测量值与设定值T比较，其差值送 PID控制器。PID 控制器处理后输出一定数值的控制量，经DA 转换为模拟电压量，该电压信号再经大电流驱动电路，提高电流驱动能力后加载到半导体致冷器件上，对温控对象进行加热或制冷。加热或制冷取决于致冷器上所加电压的正负，若温控对象当前温度测量值与设定值差值为正，则输出负电压信号，致冷器上加载负电压温控对象温度降低；反之，致冷器上加载正向电压，温控对象温度升高。上述过程：温度采样－计算温差－PID调节－信号放大输出周而复始，最后将温控对象的温度控制在设定值附近上下波动，随着循环次数的增加，波动幅度会逐渐减小到某一很小的量，直至达到控制要求。为了加快控制，在进入PID控制前加入了一段温差判断程序。当温度差值大于设定阈值Δt时，系统进行全功率加热或制冷，直到温差小于Δt才进入PID控制环节。图4为系统工作主程序的软件流程图．

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3 结论
本文设计的基于单片机数字PID控制的精密温度控制系统，在实际应用中取得了良好的控制效果，温度控制精度达到±0.1℃。经48小时连续运行考验，系统工作稳定，有效地降低了辐亮度标准探测器的温度系数，使辐亮度标准探测器在温度变化较大的环境中也能保持其高精度，为实现基于探测器的高精度辐射定标的广泛应用奠定了基础。

本文作者创新点：在原来基于PC的PID温控系统的基础上，设计了由单片机、数字式温传感器DS18B20和半导体致冷器组成的精密温度控制系统。该温控系统的应用为高精度光辐射测量仪器－辐亮度标准探测器的小型化、智能化提供了有利条件。