基于熱電致冷器的核磁共振智能空調系統設計

黃月明

摘要：本文介紹了一種以熱電致冷器為制冷單元，采用單片機進行溫度PID調控的空調設計。

關鍵詞：熱電偶致冷器；PID溫控；設計

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0181-01

工業在線核磁共振分析儀在化工領域的物質組分分析中發揮越來越大的作用，儀器的關鍵部件永磁體對溫度較為敏感，采用空調對儀器的環境進行溫控必不可少，核磁共振運行環境較為苛刻，傳統空調并不能滿足應用要求，新型制冷方式熱電偶制冷成了最佳選擇。

本文提出一種基于熱電致冷器的核磁共振空調設計，具有使用壽命長、無噪聲、響應時間短、無機械運動、安全環保等特點，經過溫控實驗可以用做工業在線核磁共振的空調系統。

1 總體方案設計及原理

核磁共振空調系統以微控制器C8051f021為控制核心，熱電致冷片為制冷單元，運用PID進行溫度控制，可設定目標值、比例系數、積分常數以及微分常數，溫度控制較為穩定可以為核磁共振永磁體提供一個穩定的溫度環境。

2 系統硬件以及相關電路設計

2.1 熱電致冷器TEC1-12706

熱電致冷器工作功率由供電電壓控制，通過改變供電電壓的方式可以改變致冷器功率。本設計中采用TEC1-12706致冷器，其內部有127對熱電偶，流通最大電流為6A，最大電壓15.24V，單片最大制冷功率為52.4w。運用32片致冷器使磁體工作環境維持在25攝氏度（±0.1攝氏度），可調節設定溫度根據不同環境進行不同的溫度設定。

致冷器安裝結構如圖1所示。

安裝注意事項：（1）致冷器表面導熱硅脂厚度適宜。（2）螺絲緊固要均勻力度適中。（3）硅膠必有，密封防潮。（4）電源用0-48V可調開關電源，紋波系數小于10%。（5）只用于制冷加熱需要等待致冷器冷卻至常溫。（6）致冷器4片串聯一起分為一組。

2.2 溫度控制處理器C8051F021

本設計采用新華龍公司微控制器C8051F021芯片為溫度控制核心，采用傳統PID控制方法，輸出PWM信號，運用單片機內部8位ADC進行數據處理。采用485通訊與上位機傳遞數據，同時磁體倉內溫度顯示在數碼管上。根據現場環境改變設定溫度，使磁體工作在一個穩定的溫度環境內。

2.3 溫度傳感器PT1000

溫度傳感器采用較為傳統的PT1000，PT1000是鉑熱電阻，他的阻值會隨溫度變化而變化，當PT1000在0℃時阻值為1000歐姆。利用傳統電橋電路將電阻信號轉為電壓信號經過放大后連接單片機AD轉換I/O口進行后續數據處理。

PT100在0-850℃時電阻與溫度關系如下：

R（t）=R0*（1+A*t+B*t*t）

R（t）是溫度t時電阻值。R0是溫度為0時電阻值。t為溫度。A、B為分度常數。

根據以上關系以及轉換后的電壓信號可得出測量溫度進行顯示以及后續對比處理。

2.4 致冷器供電電源

致冷器功率較高，線性電源做相應功率會有較大的體積所以選用開關電源作為供電系統。采用明緯公司3000w 0-48V可調開關電源供電，控制電壓為0-5V。電源供電220V交流，電源紋波系數8%，運用示波器測試電源基本滿足使用條件，可以作為該設計的供電電源。

2.5 系統框圖

制冷單元以及溫度控制系統框圖（圖2）解釋如下：傳感器PT1000采集核磁共振箱體內部溫度，采集的溫度與設定溫度對比決定輸出PWM信號占空比，PWM信號經過二階積分電路轉換成電壓信號，電壓信號經過運算放大器放大至所需0-5v信號，輸出電壓信號控制可變電壓源輸出電壓，輸出電壓的變化決定致冷器工作功率對箱體內部進行溫度控制，形成閉環的PID溫度控制系統。

3 系統軟件設計

核磁共振空調系統軟件部分主要包括系統溫度初始化程序、LED驅動芯片TM1640程序、PID控制方法程序、485通訊程序以及ADC轉換等程序等模塊。

4 實驗數據及應用實例

該系統在核磁共振防爆柜內進行了實驗測試，采用手持式紅外測溫儀進行溫度測量并進行對比實驗，箱體內部模擬電子元器件發熱及磁體加熱電阻絲，測試數據如表1。

從實驗數據分析，其中溫度現實值、溫度控制精度等指標一般能滿足核磁共振分析儀永磁體工作溫度環境，可以用于核磁共振最外層空調使用。

5 結語

本文從系統的整體設計、硬件設計、軟件設計等方面介紹了設計方法以及原理，該空調系統能夠配套核磁共振波普儀為永磁體提供較為穩定的溫度環境，各個指標均滿足要求，可作為前期實驗以及后期成型產品的空調使用。endprint