小型溫控系統(tǒng)的研究

摘要：本文介紹了基于ADuC841單片機(jī)和半導(dǎo)體加熱制冷片的小型溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體加熱制冷片作為溫度控制的執(zhí)行部件，溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測(cè)并提供反饋信號(hào)，在控制器單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)增量式PID控制算法。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)快速、精確的小型溫度控制系統(tǒng)提供了一種體積小、功耗低、經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機(jī)；半導(dǎo)體加熱制冷片；增量式控制

1 引言

隨著微加工工藝的快速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，伴隨著器件的小型化，各個(gè)模塊的溫度特性成為影響整個(gè)系統(tǒng)精度、可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對(duì)小型溫控系統(tǒng)的實(shí)際要求，選用體積小、重量輕、工作噪音低的半導(dǎo)體加熱制冷片作為執(zhí)行部件，“多點(diǎn)單總線”接口的DS18B20溫度傳感器作為反饋器件，而單片機(jī)作為控制器，選擇合適的PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的快速、精確控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)溫控系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)外雙層的設(shè)計(jì)，中間布置有控制電路和執(zhí)行器件，以及水冷系統(tǒng)管道，憑借液冷散熱器的高熱交換效率，可以提高系統(tǒng)的溫控性能。

圖1 系統(tǒng)方案示意圖

系統(tǒng)硬件電路主要分為兩個(gè)部分（如圖1所示），即單片機(jī)和溫度傳感器的反饋控制部分和功放及半導(dǎo)體加熱制冷片的執(zhí)行部分。

2.1 反饋與控制部分

DS18B20溫度傳感器是世界上第一個(gè)支持“多點(diǎn)單總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，每一個(gè)DS18B20都有自己唯一的一個(gè)64為序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部的ROM中，所以可以在同一條溫度測(cè)量總線上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，從而能夠更加精確地給出系統(tǒng)溫度值。

溫度測(cè)量范圍：-55℃～+125℃能夠滿足系統(tǒng)溫控需求，測(cè)溫分辨率可以達(dá)到0.0625℃，測(cè)得溫度通過符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

系統(tǒng)控制器選用ADI公司的ADuC841型單片機(jī)，此類型單片機(jī)板載12位ADC以及兩個(gè)12位DAC，同時(shí)還擁有DMA控制器，為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供的32位可編程I/O，兼容SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART的串行I/O端口，并且還支持板載溫度檢測(cè)以及電源檢視等。

控制器主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1) 與MAX232連接，進(jìn)行和串口的數(shù)據(jù)通信，可以用于給單片機(jī)下載控制程序，同時(shí)可以在電腦上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度等參數(shù)。

(2) 通過DAC0輸出控制信號(hào)，控制半導(dǎo)體加熱制冷片執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(3) 連接DS18B20單一總線上各個(gè)芯片的DQ端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的讀寫控制。

(4) 通過DAC1輸出與溫度值相對(duì)應(yīng)的模擬電壓，從而可以實(shí)時(shí)觀察溫度變化。

單片機(jī)程序中主要包括延時(shí)函數(shù)、復(fù)位函數(shù)、位讀寫函數(shù)、字節(jié)讀寫函數(shù)、DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)、DS18B20的控制函數(shù)以及控制算法部分，從而可以實(shí)現(xiàn)小型溫控系統(tǒng)的基本功能。

2.2 執(zhí)行部分

整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件選擇的是型號(hào)為TEC1-7108T125的半導(dǎo)體加熱制冷片，這種加熱制冷片最大溫差電流8A、最大溫差67℃、最大工作電壓8.6V、最大制冷功率38.5W。

圖2 半導(dǎo)體加熱制冷片電控實(shí)現(xiàn)方案