淺析多通道TEC工業CCD相機保溫儀

徐爽　王勁松　王鋒

摘要：保溫控制在工業生產，農業生產和軍事實驗中都有著決定性的影響。設計并實現了基于DS18b20為溫度傳感器的多通道溫度測量系統，實時測量保溫儀內部溫度，傳輸到單片機STC89c52，再由LCD12864的顯示系統顯示出保溫儀內部溫度，根據測量得到的溫度經單片機判斷最后由以TEC為核心的多通道溫度控制系統對保溫儀進行加熱或是制冷，達到保溫儀內部保溫的效果。給出了各部分電路原理圖和實物圖。實驗結果表明，控溫穩定性好，溫度波動性小，能很好的滿足多點溫度測試要求。

關鍵詞：保溫控制；TEC；DS18b20；多通道

中圖分類號：V443文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

在現代，CCD相機在多領域被廣泛應用，成為人類獲取信息的主要工具之一。做為一種半導體集成器件，CCD相機對環境溫度變化非常敏感，環境溫度過高，引起光學和機械誤差將導致相機的視軸漂移和光學系統的波前畸變，造成影像模糊，嚴重破壞成像質量，而環境溫度過低直接會導致CCD相機不能工作。這就限制了其在一些溫度環境相對惡劣條件下的使用 。如產品環境模擬試驗，環境溫度低溫達到-40℃，高溫要60℃，這就要求CCD相機應具有較寬的工作溫度適應能力，通常有兩種方法，一是采用制造工藝，生產寬溫器件，二是采用保溫措施保證CCD器件的工作環境溫度，因后者的成本較前者低，被廣泛采用。據此文中設計了多通道CCD保溫儀，采用DS18b20為溫度傳感器和TEC半導體為制冷制熱器件，STC89c52為中心控制器件，可實現-50℃～+70℃較惡劣環境溫度下CCD相機正常過工作條件。

1系統總體結構

本次設計的測溫系統不僅要求能夠實現多通道同時測溫，而且測溫精度較高，圖1是保溫儀的系統硬件設計的總體框架。

1.1單片機控制系統

整個系統由STC89C52進行集中控制和管理。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案 。

1.2單總線測溫系統

DS18b20是由美國DALLAS公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優點，可以直接將溫度轉化成串行數字信號供處理器處理 。

DS18b20獨特的單線接口方式，它與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18b20的雙向通信，并且支持多點組網功能，多個DS18b20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫，在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，測量溫度范圍為-55℃—+125℃，可編程分辨率為9—12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃，在-10℃—+85℃時精度為±0.5℃ 。

1.3 驅動系統

驅動系統主要是控制保溫儀的加熱、制冷，以及散熱。通常制冷有風冷、水冷、壓縮機制冷、TEC制冷等幾種方式 。本系統采用TEC加熱/制冷，TEC是利用半導體的熱—電效應制取冷量的器件，又稱熱—電制冷片 。利用半導體材料的帕爾貼效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實現制冷的目的 。本系統采用TEC1-12706。系統采用了6片制冷片，同時控制六個保溫儀，輸入電壓選用12V，總的制冷功率達到 330W。為了保證TEC加熱制冷功率，會在TEC的一面加上散熱組件（風扇和散熱片）。

驅動系統電路如圖4（a）所示，由單刀雙擲繼電器、PNP8550、IN4007以及 兩端接的TEC組成，通過三極管 、 的導通和截止來控制繼電器的吸合與斷開，從而使TEC兩端導通，對系統進行加熱或是制冷。繼電器兩端反接的二極管IN4007為消耗二極管，用來消耗反向電動勢。

1.4 LCD顯示系統

顯示系統采用128×64 的 LCD 顯示器。5V電壓驅動，帶背光，液晶顯示模塊是 128×64 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置國標 GB2312碼簡體中文字庫（16×16 點陣）、128 個字符（8×16 點陣）及 64×256 點陣顯示 RAM（GDRAM）。與 CPU 直接接口，提供兩種接口來連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式 。 本系統采用并行鏈接方式。圖5是其和單片機的接口。

2 系統軟件設計

軟件設計是保溫儀的重要組成部分，軟件流程圖如圖6所示。

上電以后，單片機首先對其進行初始化設置，設置與繼電器連接的個引腳輸出低電平，繼電器斷開，制冷組件停止工作，然后初始化12864，初始化DS18b20溫度傳感器，開始測溫，需要注意的是由于系統是多通道DS18b20同時測溫，所以需要先將DS18b20溫度傳感器的序列號讀取出來，然后在測溫時通過匹配序列號判斷所讀取的是哪個保溫儀的溫度，最后將各保溫儀的溫度與設定值相比較，如果不在設定溫度范圍內則調用溫控子程序。根據實驗需要，在最開始將系統的溫度值設定為高溫25℃，低溫20℃，也可以根據實驗環境需要，設定溫度警報值，當某個保溫儀內溫度超出警報溫度范圍，則調用報警程序，并盡快將系統關閉，以免將其他器件燒毀。

3 應用試驗

應用在高低溫環境下對瞄準鏡進行可靠性試驗，，需要CCD相機進行圖像采集，試驗溫度要求在-50℃～60℃。圖9（a）為高低溫箱內部結構圖，將CCD相機及保溫儀系統放到放在高低溫箱內部，高低溫箱負責給實驗提供溫度條件。（b）保溫儀實物圖。

℃

高低溫箱溫度 1號保溫箱內溫度 2號保溫箱內溫度 3號保溫箱內溫度 4號保溫箱內溫度

-50℃ 19.8℃ 19.6℃ 19.4℃ 19.6℃

-40℃ 19.9℃ 19.7℃ 19.6℃ 19.4℃

0℃ 21.3℃ 22.1℃ 21.4℃ 21.7℃

40℃ 23.2℃ 24.1℃ 23.8℃ 24.0℃

50℃ 24.9℃ 25.1℃ 24.8℃ 25.0℃

保溫儀是為確保在一些極端溫度下實驗可以正常進行，所以系統采用的測溫精度為0.1，由測量結果可以看出在高溫和低溫情況下保溫儀內溫度合理的控制在了CCD相機的工作溫度范圍呢，且四通道恒保溫儀溫度一致性比較好，溫度波動性小與±1℃，滿足了設計要求。

5結論

采用DS18b20為溫度傳感器的多通道TEC保溫儀，外圍電路簡單，不易干擾，不僅為高低溫下進行的CCD圖像采集實驗提供了溫度保障，并且也可以應用與其他極端溫度下的實驗，為工作溫度范圍較窄的電子器件提供溫度保障，保證了個電子器件在高溫或是低溫下正常工作，不影響實驗結構，并且生產簡單，操作簡單，適合與多種實驗與生產中。

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