小型溫控系統(tǒng)的研究

摘要：本文介紹了基于ADuC841單片機和半導(dǎo)體加熱制冷片的小型溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計采用半導(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進行溫度檢測并提供反饋信號，在控制器單片機上實現(xiàn)增量式PID控制算法。本設(shè)計的應(yīng)用為實現(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)濟有效的解決方案。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機；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，微機電系統(tǒng)（MEMS）在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，伴隨著器件的小型化，各個模塊的溫度特性成為影響整個系統(tǒng)精度、可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對小型溫控系統(tǒng)的實際要求，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，“多點單總線”接口的DS18B20溫度傳感器作為反饋器件，而單片機作為控制器，選擇合適的PID算法來實現(xiàn)對溫控箱溫度的快速、精確控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

整個溫控系統(tǒng)在機械結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)外雙層的設(shè)計，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部分（如圖1所示），即單片機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支持“多點單總線”接口的數(shù)字溫度傳感器，每一個DS18B20都有自己唯一的一個64為序列號存儲在內(nèi)部的ROM中，所以可以在同一條溫度測量總線上實現(xiàn)多點采集，從而能夠更加精確地給出系統(tǒng)溫度值。

溫度測量范圍：-55℃～+125℃能夠滿足系統(tǒng)溫控需求，測溫分辨率可以達到0.0625℃，測得溫度通過符號擴展的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，此類型單片機板載12位ADC以及兩個12位DAC，同時還擁有DMA控制器，為多處理器接口和I/O擴展提供的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以及電源檢視等。

控制器主要實現(xiàn)如下功能：

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

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

(3) 連接DS18B20單一總線上各個芯片的DQ端口，實現(xiàn)對DS18B20的讀寫控制。

(4) 通過DAC1輸出與溫度值相對應(yīng)的模擬電壓，從而可以實時觀察溫度變化。

單片機程序中主要包括延時函數(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，從而可以實現(xiàn)小型溫控系統(tǒng)的基本功能。

2.2 執(zhí)行部分

整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件選擇的是型號為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現(xiàn)方案