基于半導體制冷片的溫度控制系統的設計

摘 要:設計一種用于紅外傳感器工作溫度調節控制的模塊，使紅外傳感器在低溫下工作，以提高紅外傳感器的探測性能。通過以mega16芯片為核心，以半導體制冷片為制冷元件，以PID算法為基礎構建了一套半導體溫度調節系統[1]。實驗結果表明，半導體制冷溫度控制系統能夠為紅外探測器提供所需的工作溫度。

關鍵詞:溫度 半導體制冷片 PID算法

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0009-02

溫度對紅外傳感器有比較大的影響，當外界環境溫度發生變化時，紅外傳感器對所測量的物理量會有較大的變動，影響其測量值的準確性[2]，產生較大的外界噪聲干擾，所以當進行精確測量時，將紅外傳感器控制在一個恒定的溫度下，可以大大提高探測精度，減少誤差。

1 半導體制冷器的工作原理

半導體制冷也稱熱電制冷，是一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，半導體制冷是以溫差電現象為基礎制冷方法，利用帕爾貼效應的原理達到制冷目的。

帕爾帖效應:當電流I通過由兩種不同材料組合成的閉合回路時，在材料的接頭處一端會吸收熱量Qp，另一端會放出熱量Qp。這種吸收或放出的熱量叫做帕爾帖熱，其吸熱或放熱由電流的方向決定，大小由公式決定。

π為帕爾帖系數，與溫差電動勢率有關，，α1、α2為組成回路兩種材料的溫差電動勢率，T為相關接頭的溫度。作為一種制冷源，半導體冷片可連續工作，不需要制冷劑，沒有污染源和機械運動部件，不會產生回轉效應，是一種固體元件，工作時沒有噪音、震動、壽命長，安裝容易。半導體制冷片是電流換能型器件，通過控制輸入電流，可實現高精度的溫度控制。熱慣性小，制冷制熱時間比較快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，可迅速達到最大溫差。

2 溫度控制系統的組成

半導體溫度控制系統結構框圖如圖1，由制冷片引起的溫度變化經溫度傳感器傳送給控制器，與設定的溫度進行比較，所得的信號偏差通過PID進行調整處理，由控制器發出命令信號，通過驅動電路驅動半導體制冷片進行制熱或者制冷，以達到紅外傳感器的工作溫度環境。

3 硬件系統設計

本控制系統主控單元采用的是ATMEL公司AVR系列的Atmega16單片機。Atmega16是一款基于RISC結構的高性能低功耗的8位微處理器。內部有豐富的硬件資源:16K字節的系統內可編程Flash，512字節的EEPROM，1K字節的片內SRAM，32個可編程IO口，四通道的PWM，8路10位ADC，兩個可編程的串行USART，具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器。本系統所要完成的任務是對溫度進行比較，并且對比較結果進行處理，將處理結果控制輸出，實現制冷或者很穩的功能，Atmega16內部資源豐富并且功能強大指令效率高，完全符合本系統的要求，并且能夠提高系統的可靠性。

3.1 溫度測量電路

溫度測量部分使用的是美國DALASS公司生產的數字溫度傳感器，它的體積小，使用方便，單線的接口方式，一條線即可實現DS18B2與微處理器的雙向通訊。溫度測量范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。在使用中不需要任何外圍元件，該DS18B20可提供9至12位可編程設備溫度讀數。讀寫數據以及溫度轉換可以從數據線本身獲得能量，不需要另接電源。DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，把后11位的2進制轉化為10進制后在乘以0.0625便為所測的溫度，此外還需要判斷溫度的正負。前5個位為符號位，前5位為1時，溫度為負，當前5位為0時，溫度的數值為正。連接方式如圖2所示。

3.2 制冷器的控制與驅動

制冷片的驅動采用的英飛凌公司的智能功率芯片BTS7960作為驅動芯片，

由兩個半橋驅動芯片BTS7960組合成一個H橋驅動。BTS7960是大電流半橋高集成芯片，它帶有一個N溝道的低邊MOSFET、一個P溝道的高邊MOSFET和一個IC驅動。P溝道高邊開關對電荷泵的需求省去了， 因而減小了EMI。集成的驅動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節、死區時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。BTS7960通態電阻典型值為16mΩ，驅動電流可達43A。圖3為半導體制冷片的驅動電路。

兩片BTS7960構成全橋驅動，mega16的PD6連接芯片的使能控制，當PD6的輸出電平為高電平時，對芯片進行使能操作(INH=1)。通過單片機IO口PD5、PD7提供不同電平值，向控制的半導體制冷片提供不同方向的電流，進行制冷或者制熱，以達到不同的控制效果。

3.3 按鍵調節與數碼管顯示設計

對系統進行溫度調節時，分別設計了按鍵調節和數碼管顯示兩個模塊。需要設定調節溫度時，通過按鍵進行處理。設計了四個按K1、K2、K3、K4。當不需要進行溫度調節時，沒有按鍵按下，數碼管顯示為當前實際測得的溫度值。開始對溫度進行調節時，K1按下，數碼管顯示為溫度設定的初始狀態值，K2、K3分別為溫度設定值得增和減。對溫度的設定完成之后，按下K4鍵，數碼管顯示返回溫度實時顯示，同時開始了對溫度的比較與調節。

4 系統軟件設計

4.1 系統工作流程

當系統上電啟動后，首先進行系統的初始化。單片機上電或者復位后，進入主程序，對I/O口、定時器、串行口等進行初始化。經過初始化后，系統的各個部分準備就緒，可以進行工作。首先進行溫度測量，實時顯示溫度，然后由按鍵輸入需要設定的溫度，溫度設定之后，程序啟動溫度比較，當設定溫度大于實時溫度時，開始升溫調節。當設定溫度小于實時溫度時，制冷片進行降溫處理。

系統的溫度調節過程分為兩階段，在溫度調節的過程中，當溫差大于1℃時，調節速度為全速，當溫差小于1℃時，開始進入PID調節模式。

4.2 PID控制的實現

由于來自外界的干擾不斷產生，要想達到現場控制目標的恒定，控制作用就必須不斷進行。如果現場控制值發生變化，檢測元件就會把這種變化采集后送至PID控制器的輸入端，并且與系統設定的值進行比較得出偏差，調節器按照偏差值以預先設定的整定參數控制規律發出控制信號，去改變調節器，從而使現場控制對象發生改變，趨向于設定值，從而達到控制目的。

PID控制有兩種方式，位置式和增量式。本文采用了增量式控制方式。由于計算機基于采樣控制理論，計算方法不能采用傳統的模擬PID控制算法，必須將控制模型離散化，可以得出下式，位置式控制算法。

(2)

將溫度傳感器得到的數值作為輸入，與設定值進行比較得出偏差，然后再進行PID運算得出結果進行輸出，根據輸出結果進行PWM控制輸出，控制半導體制冷片的工作狀態。

5 結語

本文從硬件構成及軟件算法方面介紹了基于AVR的半導體溫度控制系統，該系統為紅外探測器提供了一個穩定的工作環境，有效的降低了外界環境對探測器的干擾，對探測器的輸出提供了保證，減小了實驗誤差。該系統還可以方便的應用于其他需要進行溫度控制的領域。

參考文獻

[1]陳國邦.最新低溫制冷技術[M].北京:機械工業出版社，2003.

[2]孫曉剛，李云紅.紅外熱像儀測溫技術發展綜述[J].激光與紅外，2008.38(2):101-103.

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