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半导体制冷器温度控制系统的设计与实现 华中科技大学硕士学位论文半导体制冷器温度控制系统的设计与实现姓名:童汉维申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:曾延安2010-12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 对于光电探测器,噪声是一直存在的,如何才能够减小和消除噪声是十分重要的问题。在光电探测器中的固有噪声与探测器工作的环境温度是密不可分的,所以说,如果能够控制探测器的工作温度就能够很好的控制探测器的噪声。本文介绍了一种基于半导体制冷器的温度控制系统,该系统能够对所目标空间内进行温度控制,可控的温度范围从-20到60,可以实现对探测器的快速精确温度控制。 半导体制冷器是一种利用珀尔帖效应来进行制冷的器件,它具有体积小、重量轻、使用寿命长、没有噪音、无机械运动、加热制冷迅速、控制精度高、不需要制冷剂、 无污染等优点。 本文设计的温控系统包括单片机系统,温度测量系统,温度的输入和显示,以及半导体制冷器的功率驱动这几个部分。温度测量系统指的是通过温度传感器读取目标系统的当前温度,这里采用的是数字式的温度传感器,易于单片机读取测量值。单片机是整个温控的中央处理器,温度控制算法是在单片机中进行运算的。将测量到的当前温度值输入到单片机,再通过比例积分微分控制算法的运算,就可以得到要输出的控制量。单片机计算出的控制量要通过半导体制冷器的功率驱动电路才能驱动半导体制冷器工作。首先要将控制量经过数模转换器转换成模拟的电压量,然后通过半导体制冷器的驱动电路,将可变的电压量转换成可变的电流量驱动半导体制冷器正常工作,完成温度控制的目的。温度的输入模块是为了能够方便的调节目标温度,显示模块则是为了能够实时的显示目标系统的当前温度。 本文介绍的温控系统中,控制算法是一个非常重要的部分。这里采用被广泛使用经典控制算法?比例微分积分算法。它的优点是结构简单、实用、价格低、控制效果好。关键词:半导体制冷器 温度控制 比例积分微分 单片机I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract In industrial production, the temperature-control is playing a important role. For photo- electric detector, how to reduce or eliminate noise is a very important problemBecause the inherent noise of photoelectric detector is related to the temperature of the detectors working environment, so if we can control the temperature we will control the detector noise. This paper introduces a kind of temperature control system based on TEC Thermoelectric Cooler. This system can control the temperature of an enclosed space from -20 to 60 quickly and accuratelyTEC is to use the Peltier effect to work, which has small size, light weight, long life, no noise, no mechanical movement, heating cooling rapidly, high control precision, does not require refrigeration agents, pollution and so onThe paper presents the design of the temperature control system including single-chip computer systems, temperature measuring system, the temperature of the input and display, and semiconductor refrigeration inverter power drive. Temperature measurement system read the temperature of the system through the temperature sensor. Input the temperature into the microcontroller and calculate the amount of control through the PID control algorithm. As the amount is a digital quantity, first we must convert the amount into a voltage through the D / A converter , then drive the TEC by a TEC drive circuit, the temperature of system can be controlled. We can easily adjust the target temperature by the input module , and display the current temperature of systems through the display moduleIn the temperature control system introduced in this paper, the control algorithm is a very important part. The PID is adopted which is widely used classical control algorithmIts advantages are simple structure, practical, low price and good control effect Keywords: TEC Temperature Controlment PID SinglechipII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”)学位论文作者签名:指导教师签名: 日期: 年月日日期: 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1绪 论 1.1 课题的研究背景及意义 光电探测系统是对采集到的光信号进行转换、传输以及处理的系统,包含了探测器以及随后的电子学系统。因此在系统工作的过程中,总是会受到无用信号的干扰,把这种叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰称之为噪声。从噪声的来源上可以把它分为两类:一是来自研究系统的外部,通常由电、磁、机械、杂散光等因素引起的,这种干扰多具一定规律性,采取适当的措施可以将其减小或消失;二是来自研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自然扰动,这些过程多为随机过程,不能预知其精确大小及规律,不能完全消除,但可以根据其统计规律采取一些措施予以控制。 在实际的光电探测系统中噪声是极其有害的。由于噪声总是与有用的信号混在一起,因而影响到对信号特别是对微弱信号的正确探测,光电探测系统的极限探测能力往往由探测器的噪声所限制。所以在精密测量、自动控制等领域,减小和消除噪声是十分重要的问题。五大噪声中,其中的两类与温度有着紧密的联系,如果可以精确的控制系统的温度,就可以很好的控制噪声,本次课题的意义也正是着眼于此。 在光电探测器中的固有噪声主要有以下五大噪声:热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、温度噪声以及电流噪声。 热噪声 热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的。任何一个处于热平衡条件下的电阻,即使没有外加电压,也都有一定量的噪声,这是由于电阻体内电子的热运动所引起的。奈奎斯特推导出热噪声功率为。 2Uk 4T ?fR 1-1 nJ式中 k为玻耳兹曼常量, ?f为测量带宽。如果用噪声电流表示则为1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4kT ?f2i 1-2 nJR散粒噪声 散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器件中。探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下,光电子或载流子随机产生所造成的。由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引起的,所以称为散粒噪声。 在电子管中,电子从阴极发射出来,如果板极上所加的正电压足够高,使离开阴极的电子立即为板极所收集而流过外电路,在一定的条件下就可测到一直流电流I,当然这也是时间的平均值。从阴极发射电子过程来看,它们是完全无规则的。任一短时间 内发射出来的电子决不会总是等于平均数,而是围绕这一平均数有一涨落。 从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为 2ie 2I ?f1-3 n式中,e为电子电荷, ?f为探测器工作带宽。 产生-复合噪声 半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声称为产生-复合噪声,亦称 g-r噪声generation-recombination noise。这种噪声主要存在于光电导探测器中。g-r噪声与前面介绍的散粒噪声本质是相同的,都是由于载流子数随机变化所致,所以有时也把这种载流子产生和复合的随机起伏引起的噪声归并为散粒噪声,但二者的具体表达式略有不同。经过理论推导 g-r噪声的表达式为 2ie 4IM ?f 1-4 ngr式中,e为电子电荷, I为平均电流, ?f为探测器工作带宽,M / 为光电od导探测器的内增益,它是载流子平均寿命 和渡越时间 的比值。 o d温度噪声 温度噪声主要存在于热探测器中。热探测器通过热导 G与处于恒定温度的周围2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 环境交换能量。在无辐射存在时,尽管热探测器处于某一平均温度T,但实际上热0探测器在T附近呈现一个小的起伏,这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温0度噪声。它最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。 经过理论推导,热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为 22?WG? 4kTf 1-5 T式中 G为探测器的热导,k为玻尔兹曼常量,T为探测器工作温度, ?f为探测器的工作带宽。 电流噪声 电流噪声通常又称为低频噪声或 1/f噪声。这种噪声的特点是噪声功率谱密度与频率成反比。电流噪声的均方值可用经验公式表示为 bI ?f2iK 1-6 n 1aff式中 K为比例系数,与探测器制造工艺、电极接触情况、半导体表面状态及器1件尺寸有关; a为与材料有关的常数;b与流过器件的电流 I有关; f与 ?f分别为1探测器工作的频率和带宽 。 1.2 半导体制冷技术的研究现状及发展动态 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时有制冷功能,因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性,它的应用才真正使热电制冷实用化,为此人们又把热电制冷称为半导体制冷。至于温差点制冷名称的由来,是由于人们发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应,即具有制冷功能的珀尔帖效应,与温差发电对应。而后称为温差电2-5制冷 。 与常规的机械制冷相比,它的特点如下几个方面:无运动部件,振动和噪声低;无制冷剂,环保性好;冷热转换方便;在小功率制冷时,制冷系数较高;制冷速度快,反映敏捷,可以快速实现大温差;调节性能好;可以做成各种形状,易于微型3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 化,满足各种需要。由此可见,半导体制冷开辟了制冷技术的一个新领域,扩大了制冷技术的应用范围,在某些特殊的场合,有着别的制冷方式无法替代的作用。 目前,国内外对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开发、模块设计制造和系统优化设计等几个方面。近几年,美国、日本、澳大利亚等国家在热电制冷材料领域研究有很多的突破,高性能材料不断涌现。2001年,美国 RTI研究所的Venkatasubramanian等人将 Bi-Te基合金制备成超晶格薄膜,在 30OK的温度下其 ZT值可以高达 2.4,成为目前世界最高水平。但是由于高性能的材料制造加工起来十分复杂,价格也就十分昂贵,因此在实际应用中没有市场。纳米技术和缺陷理论为寻找高优值的热电制冷材料提出了一个新的方向,有可能在不久的将来取得重大突破,为热电制冷技术的大范围推广带来希望。由于材料还没有取得很大的突破,很多国家都把对半导体制冷器进行模块设计和系统性能优化放在了很重要的位置,这更具6-10有现实意义 。 1.3 温度测控技术国内外发展现状 如今,温度测量与控制已经被广泛的应用于社会生活的各个领域,如家电业、汽车制造、电力电子产品等等。常用的测控方法、测控电路以及所使用的测控方式有很多种类,根据应用的场合以及性能指标的要求合理的选择合适的测量和控制方11法方式 。 1.3.1 温度测量方法发展现状 温度在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数。温度测量是通过温度传感器来实现的。测温仪器通常由两个部分构成:温度传感器和信号处理。温度测量的过程分为两个步骤,第一步,通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电或其它形式的信号;第二步,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。目前,国内外常用的温度传感器大致分为以下几种: 热膨胀式温度计。热膨胀式温度计是一种利用膨胀法来测量温度的仪表。所谓4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 膨胀法指的是利用物质的热膨胀性质与温度的固有关系为基础实现的一种测温方法。采用这种方法制成的仪表,我们称之为膨胀式温度计。按选用的物质不同可分为液体膨胀式温度计,气体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计三大类。 电阻温度计。电阻温度计采用的是热电阻作为感温元件,来测量温度的。其中热电阻是一种导体或半导体的感温元件,它具有电阻值随温度变化而变化的特性。常用的热电阻材料有:铜电阻、铂热电阻和镍热电阻。由于电阻值不易直接读出,所以热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。 热电偶。热电偶测量温度所使用到得基本原理是热电效应,这是热电效应理论的一个具体应用。热电偶测量温度的方法是将两种不同成份的导体焊接在一起,由于两端温度不同时,在回路中就会产生热电势,热电偶能测量到热电势因而可以测量温度,同时它也是一种变换器,将温度信号转变为电信号再通过仪表显示出来。该种测量方法已经在实际生活中得到广泛应用。它的测温优点有以下几点:测量精12-16度高、结构简单、动态响应快、可作远距离测量、测温范围广等 。 1.3.2 温度控制方法发展现状 如今,温度控制方法已经有了快速的发展,PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法已经逐渐的取代了传统的直接控制方法,成为主流的温控方法。 PID控制。又称比例、积分、微分控制,温控原理是通过温控系统将采集的当前温度值与设定的目标值进行比较,并将差值作为 PID控制功能块的输入,在 PID功能模块中根据比例、积分、微分系数按照算法计算出输出控制量,再通过修改控制变量误差的方法实现闭环控制,达到温度控制的目的。 PID控制有着结构简单、实用、价格低的特点,在很多的过程领域都可以达到很好的控制效果,得到广泛的应用。 人工神经网络。它采用大量简单的处理单元,使用数学模型模拟生物神经细胞的结构和其处理信息的方法,按照一定的拓扑结构,将其连接成复杂的网络,对采集到的信息做相应处理。 模糊控制。对于不易取得精确数学模型或是数学模型不确定或是经常发生变化的对象,常采用一种基于模糊逻辑的控制算法,同时在算法中加入操作人员的经验5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17-22和直觉知识 。 1.4 本文研究的主要内容 全文共分为六大部分:第一章介绍了本文的研究背景以及提出了全文所要讨论的课题;第二章对系统的整体设计做了具体的分析,详细的介绍了半导体制冷芯片以及温度传感器的选型和控制算法的选择;第三章介绍温度控制系统的硬件电路以及元器件的选型;第四章详细介绍温度控制系统的软件程序设计;第五章对 PID控制算法中的参数整定过程做了详细说明,并对系统进行整体测试;第六章全文总结。6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 系统的总体设计 2.1系统的技术指标和总体框图 系统的总体框图如图 2-1所示。主要由单片机系统,温度测量电路,温度的输入和输出显示,以及半导体制冷器的驱动电路组成。 温度测量电路中目央标输入和处输出 系理统器功率驱 半导体制动电路 冷器图2-1 系统框图 温度测量电路通过温度传感器,读取当前系统的实时温度,经过单片机分析后,23进行相应的处理,发出控制信号,然后通过驱动电路控制半导体制冷器加热或制冷 。 温度控制系统技术指标如下: 温控范围:-2060 温控精度:0.1 温度达到稳定时间:小于 3分钟。 2.2半导体制冷芯片的选择 为了选择合适的制冷片,从 TEC的制冷功率以及最大温差等多个参数为依据,筛选满足要求的 TEC。首先尝试的是常用的一级制冷片,型号为 TEC1-12706T125,它的相关参数如下表。 表2-1 TEC型号及参数 最大产冷量 最大温差 外形尺寸 电 电流 最大工作电阻 重量型号 堆 I 电压 Qc(W) ?T() (mm) (?) (g)(A) 数 U(V) 热端温度 Th27 L W H TEC1-12127 6 15.2 56.5 70 4040 3.9 1.94 23 706T1257 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 经过反复实验发现,使用该制冷片,它的制冷效果不是很好,最好的制冷效果只能将目标系统的温度降到比室温低 20。如何提高制冷效果成为了一个难点。在实验中发现,抑制制冷效果的一个很大因素是 TEC的热端散热问题。如果要提高散热效果,最好的方案就是采用水冷的方式,但这样整个系统就会很复杂,所以依旧采用风冷的方式,相应的重新选择一款制冷效果更好的芯片作为代替。图 2-2 TEC1-127实物图 考虑到在目前的水平上,单级的半导体制冷能够达到的最大温差为 70K,单级的半导体制冷不仅不能实现更大的温差,而且在温差较大的情况下工作时,它的制冷系数也在急剧的下降,制冷状况迅速恶化,所以为了实现较大的温差,我们尝试24-27这使用多级制冷技术 。 在多级半导体制冷中,有两种结构方式:串联方式和并联方式。图 2-3是一个两级半导体串联制冷的示意图。 串联型多级制冷热电堆的特点是各级的工作电流是相同的,级和级之间要有一层电绝缘导热层,制作工艺比较简单。通过实验证明,在半导体两级制冷的情况下,如果级间的元件个数比 r2时,多级制冷有比较高的制冷系数和制冷量,但是随着 r的进一步增大,可以获得更大的温差,但制冷系数和制冷量都会降低很多,半导体制冷器经济性下降很多。8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图2-3两级半导体串联制冷的示意图 而并联型的多级热电堆的特点是各级之间的输入电压是相同的,同时级和级之间不需要电绝缘导热层,所以级和级之间不存在有害温差。但随之而来的是电路设计上比较复杂,特别是在负载较大的情况下。图 2-4是两级的半导体并联制冷的示意图。图2-4 两级的半导体并联制冷的示意图 实验表明,如果两级并联制冷工作的级间的元件个数比 r1时,可以达到最大的制冷系数,但是随着 r的增大,制冷器的制冷系数同样也会逐渐的降低。并联多级制冷的第二级的最大工作电流都小于单级制冷状态下的最大工作电流,而且当其处于最大制冷量和最大制冷系数情况下的电流也总是小于单级工作时的电流。从上述中可以在设计多级并联制冷器时,同样可不考虑热电单元能够承受的最大输入电流。并联制冷第二级的最佳工作电流大约是单级最佳工作电流的一半。两级并联制冷的级间元件个数比 r1时能够达到最大的制冷温差,随着 r的增大,制冷温差逐渐减小,减小的速率较为缓慢。9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 对比串联和并联半导体制冷,得到如下结论: 如果级间元件个数比和工作电流相同,串联半导体制冷中平均的制冷量较大,制冷的能力较强; 在级间元件个数比 r1的情况下,并联半导体制冷的制冷系数要比串联半导体制冷的更高,相反,在 r2,3,4的时候,串联半导体制冷的制冷系数反而优于并联半导体制冷; 在使用相同的级间元件个数比的情况下,串联半导体制冷能够产生更大的制冷温差; 28串联半导体制冷的工作电流范围更大 。 从中可以看出,串联半导体制冷有更大的制冷量、更高的制冷系数以及能够到达更大的制冷温差,因此,在实际的应用中,半导体串联制冷应用的更为广泛。 综合考虑所需要的最大温差和制冷量,选择如下一款二级半导体制冷片作为代替,它的型号是 TEC2-25504,相关参数如下表。 表2-2 TEC2-25504参数 最大温最大温差最大电压 最大产冷功率 长 宽 厚 产品型号 差电流 () V W mm mm mm(A) TEC2-25504 4.0 72 15 30.0 40.0 40.0 7.0图 2-5 TEC2-25504实物图 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 通过实验测试出,当通过 TEC的电流达到 3.75A时,在使用风冷的散热条件下,整个系统达到最好的制冷效果,目标系统的温度可以降到比室温低 35。 2.3 温度传感器的选择 温度采集时需要使用温度传感器对当前系统的温度进行测量,目前被广泛使用的温度传感器有如下几种类型。 温度传感器热电阻测温,是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。 常见的铂热电阻是杆式的铂电阻,它是由铂丝、绝缘架和保护套组成。铂热电阻通常用直径为 0.030.07 0.005毫米的铂丝单层烧制而成。铂丝的直径大小将直接影响铂电阻的强度和它的热惰性的大小,同时,由于铂是贵金属,也影响其成本。图 2-6 铂电阻结构 热电阻采用三线制接法,即是在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响。采用三线制能够消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 温度传感器热电偶测温采用的是热电效应来测量温度的。将两种不同材料的导体或半导体焊接到一起,构成一个闭合回路。当两种导体或半导体的两个执着点之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象就称为热电效应。使用热电偶测温有着如下几个优点:测量精度高,测量范围广,构造简单,使用方便。 本次课题设计的温度控制系统所要求的技术指标为,温度的控制范围从-20到60,控制的精度为 0.1。综合考虑各个方面的因素,采用 DALAS公司的 DS18B20数字式温度传感器作为温度采集器件。DS18B20的测量范围从-55到 125,测量精度高达 12位,最小可分辨温度为 0.0625,完全可以满足系统设计要求的技术指标。同时,DS18B20采用了 1总线接口,大大简化了接口电路的设计,可以把精力主要集中在温度控制算法的研究上。 2.4 温控算法的选择 PID控制器技术的应用已经有近 70年历史,如今它已经成为了工业控制的主要技术之一,这与它的所具有的控制优势是分不开的。传统的控制器在使用的时候,首先要完全掌握被控对象的结构或者参数,构成系统精确的数学模型,在理论上模拟系统工作的状态,然后才能够在实验中应用控制技术。但如果被控制对象是一个完全不了解的事物,不能获得足够的结构和参数,构成系统理论数学模型,其他的控制理论技术就难以被采用,PID控制技术成为最为方便的一种方法,它的结构和参数只能依靠经验和现场调试来确定,不用担心因缺乏对被控制对象的了解而无法得到控制器参数的问题。总的来说,PID控制技术的优势可以用如下的十六个字概括:结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。 比例(P)、积分(I)、微分(D)是三种基本的控制规律。控制器输出的变化量u与偏差e间有一定的函数关系,这三种基本的控制规律都是线性的运算规则。 tdetut K et + K etdt + K (2-1) p i d0dt其中 K , K, K 分别是比例,积分,微分系数。比例控制改变系统的动作灵p i d12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 敏度,增大 K 可以减小稳态误差,提高系统的动态响应速度,但 K 太大时会使系p p统不稳定。积分控制能消除系统的稳态误差,提高控制系统的控制精度,Ki过小时,积分作用太弱,不能减小稳态误差, Ki过大时,系统稳定性会下降。微分控制可以改善动态特性,使超调量减少,调节时间缩短。 比例(P)控制在比例控制的情况下,控制器的输出量与输入的信号成比例的关系,即是将输入量做一定比例的放大或者缩小来作为最终的控制量,是一种最为简单的控制方式。如果只有比例控制,系统在稳定状态下的输出存在稳态误差(Steady-state error)。积分(I)控制对于上述一个只有比例控制的自动控制系统,在进入稳态系统的输出存在着稳态误差,我们称这是一个有稳态误差的控制系统,简称为有差系统(System with Steady-state Error)。对于控制系统,稳态误差不应该存在的,它使得系统控制不能达到要求,必须被消除。为了消除稳态误差,控制器中就必须加入“积分项”, “积分项”的输出与输入信号的积分成正比关系。输入信号的积分随着时间的增加会不断的增大,即使在输出信号很小的情况下,只要有足够的时间就一定能够获得可观的积分项,随着积分项的增大,控制器的输出也会增大,系统的稳态误差就会减少,最终等于零。所以,有比例控制和积分控制的控制器能够使系统在无稳态误差的状态下工作。微分(D)控制某些自动控制系统在调节的过程中会出现振荡甚至失稳的状态,这是因为在控制系统中有较大惯性组件(环节)或者有滞后delay组件,使得在控制的过程中系统中的被控制对象的变化总是滞后输入信号的变化。为了能够减少振荡以及消除失温状态,就必须使抑制误差的作用的变化“超前”发生,使其具有预见性,即在误差接近零的时候,抑制误差的作用也是零。微分控制的引用可以很好的解决这个稳态,微分控制器的输出与输入信号的微分(即输入信号的变化率)成正比关系,微分项的引入能够使得控制器输出提前对输入信号的做出反应。所以引入“微分项”13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的控制系统能够预测误差变化的趋势,提前做好抑制作用,使系统不会出现严重的超调现象,使得系统更容易进入稳态,振荡时间减少。对于有较大惯性或滞后的被控对象,微分控制的加入能够很好的改善系统在控制过程中的动态曲线。 PID控制器如果要能够在实际生活中应用,必须要对它的参数进行整定。PID控制器参数的整定是一个非常重要的过程,它直接影响到系统控制能否正常进行,控制精度能否达到要求等等重要因素。PID 控制器参数整定的方法大致可以分为两大类:一是理论计算整定法。依据 PID系统的数学模型,计算出控制器参数。该方法得出的参数并不能直接运用到实际生活中,必须通过实验的方法进行二次整定。二是工程整定方法,在实验中,依赖工程的经验,直接对控制系统参数进行整定,通过大量的实验数据以及反复的实验过程,确定达到要求的参数,该方法简单、容易29-33实施,已经被广泛的使用 。 2.5 单片机的选择 单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易,一直以来以其极高的性价比长期受到人们的关注。本次课题中采用 89C52单片机作为整个系统的核心处理器。89C52单片机采用的是MCS-51单片机内核,指令系统与51单片机完全兼容。内部有256字节的RAM,8K的EPROM,5个中断源,2个16位定时器/计数器,1个全双工的串行口,4个8位可编程的并行 I/O口,完全可以满足本次设计的系统要求。在本次课题设计的系统中,单片机主要完成以下任务:首先控制温度的测量,读取系统的当前温度,然后进行控制算法的运算,计算出控制量,再控制 D/A转换,将控制量输出。同时还要完成34-35对键盘输入和显示输出的控制 。14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 半导体制冷温度控制系统的硬件设计 本章详细介绍了半导体制冷温度控制系统的硬件设计,从温度的采集,到主控制器,再到数模转换,最后到制冷器件的驱动电路,详细的介绍了每个部分实现的基本原理以及所选择使用的器件。 3.1 硬件系统设计 图 3-1是半导体制冷温度控制系统的硬件框图。 DS18B20键盘输入 目51标单系片统机数码管TLC 驱动 TEC2-5615 电路 25504图 3-1 温控系统硬件框图 系统的工作原理如下:温度控制系统在CPU的选型上采用被广泛使用的51系列单片机,同时温度的采集上则是通过DS18B20温度传感器来完成的。DS18B20读取目标系统的温度,输入到51单片机中,经过数据转换,然后通过6个数码管实时的把当前温度显示出来。同时,单片机采用 PID控制算法,对接受到的实际温度进行计算,得出要输出的当前控制量,通过 TLC5615进行 D/A转换,最后获得模拟的电压量。而 TEC的制冷量与电流成正比,所以还要添加一个 TEC的驱动电路,将电压量转变为电流量驱动 TEC工作,达到温控的目的。同时单片机加入键盘输入的外设,36-40可以更方便的对目标温度进行设定 。 3.2 温度传感器 DS18B20 41这里采用的是 DALAS公司的 DS18B20温度传感器 。15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 DS18B20提供了 9到 12位的温度传感精度,而且采用了 1总线接口,数个DS18B20可以通过共享一根数据线与主机传送数据。每一个 DS18B20都有一个唯一的序列号,主机通过访问特定序列号的 DS18B20来实现对特定传感器的访问读写。DS18B20其方便的一线接口,让跟接口电路大大简化,而且其可以提供高达 12位的采样精度,也就是 0.0625的采样精度。 +5VDS18B20514.7K单片I/O外接电源+5V机图3-2 DS18B20硬件接口方式 图 3-2是 DS18B20与微控制器的接口连接方式,从上图可以看到两者的连接是很方便简单的,只需要在资料在线加个上拉电阻就可以完成相应的接口电路的设计,而且可以通过同一根数据线访问不同的 DS18B20,这为组成一个温度传感器网络,实现分布式的温度传感提供了很大的方便。因为微控制器跟 DS18B20的数据信息的交换是通过命令响应的方式实现的。任何命令的开始都是微控制器向数据线发送复位脉冲,然后 DS18B20存在而且准备好的话,就返回一个存在脉冲,告诉主机当前数据在线存在有 DS18B20器件,主机可以通过数据线对其进行相应的操作。 对于单 DS18B20的情况,应用的命令顺序和作用如下: 0XCC:跳过 ROM寻找的工程,这里是应用在总线上只有一个 DS18B20的情况,因而不需要寻找相应的 ROM的器件。 0X44:让 DS18B20开始进行温度转换的过程,其中温度转换得到的数据保存在器件的 SCRATCHPAD寄存器内。 0XBE:主机从 DS18B20的 SCRATCHPAD寄存器内读取数据,也就是温度转换得到的数据。16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 温度转换结束 复位脉冲 发送命令 0XCC 存在脉冲 发送命令 0XBE 发送命令 0XCC 接受温度数据 发送命令 0X44 显示温度并处理 等待温度转换结束图 3-3 DS18B20访问过程 DS18B20转换得到的数据从 9位到 12位,为了得到最高的温度测量精度,本设计中采用了 12位的测量精度。而从 DS18B20中获取到的信息表示的意义如下:图 3-4 DS18B20温度采样数据比特图 3.3 温度控制系统隔热空间的设计 使用两片半导体制冷器作为制冷器件。 由于 TEC的热端和冷端之间的距离比较短,在整个目标空间的设计中要很注意散热问题,如果在制冷的过程中热端产生的热量不能够及时被带走,那么这些来不及排出的热量就会通过材料本身传递到冷端,使冷端的温度升高,整个半导体 TEC将成为是一个发热源,失去了制冷的效果。为了能让半导体 TEC在制冷的过程中,17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 热端的热量能够快速的散去,就必需匹配相应的散热器对其进行散热。考虑到 TEC的结构大小与 PC机的 CPU极为相似,所以我们选用一种散热性能较好的 CPU散热风扇作为 TEC的散热系统。图 3-5 九州风神阿尔法 400 plus 图 3-5是选用的一款 CPU风扇,该散热器采用悬翼风扇,外加 4根热管有助于快速传递热量,接触面采用铜材料,传热迅速,具有较高的性能。将要使用的 TEC制冷模块紧贴散热器的接触端,之间涂上导热硅脂,这里导热硅脂的目的是为了让TEC和散热器底端更好的接触,传到热量也就会达到更好的效果。值得注意的是涂在它们之间的导热硅脂不宜太多,实验证明太多的硅脂反而降低它们之间热量的传递,正确操作应该是涂薄薄的一层硅脂,这样才能达到最好的效果。安装好 TEC模块,将两个散热器的底端相对,同时两片 TEC的制冷面也是相对的,这个时候使用隔热材料在两面 TEC之间构建一个大约 3cm*3cm*3cm的密闭空间来当作实验用的目标空间。为了让目标空间的密闭性达到最好,在隔热材料与散热器底端接触的部分加入能够隔绝空气的生胶带,同时在目标空间的外表每个可能产生漏洞地方缠绕生胶带,以增加它的密闭性。最终制作的结果如下图。18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图 3-6 制作完成的密闭空间 3.4 数模转换 TLC5615 是带有缓冲基准输入(高阻抗)的 10 位电压输出数字-模拟转换器(DAC)。它具有基准电压两倍的输出电压范围,并且是单调变化的。同时芯片的使用简单,用单 5V的电源供电。它还具有上电复位(power-on-reset)功能以确保可重42复启动 。 TLC5615的数字控制通过 3线(three-wire)串行总线,它是 CMOS兼容的,易于和工业标准微处理器和微控制接口相连接。芯片接收 16位数据字以产生模拟输出。数字输入端带有施密特(Schmitt)触发器,具有高噪声抑制能力。数字通信协议包括 SPI、QSPI、Microwire标准。8引脚的小型(small-outline)D封装允许在空间受限的应用中实现模拟功能的数字控制。工作温度范围为 0至 70。 TLC5615的特点如下: 在 8引脚封装内 10位 CMOS电压输出 DAC; 5V单电源工作; 3线串行接口;19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 高阻抗基准输入; 电压输出范围?基准输入电压 2倍; 内部上电复位; 低功耗?1.75mW; 1.21MHz的更新率; 至 0.5LSB的建立时间?12.5usT ; yp在温度范围内保持单调性; 引脚与 im公司 515兼容。 TLC5615的引脚定义如下。图 3-7 TLC5615的引脚及其定义 DIN:串行数据输入引脚。通过它将串行数据输入到片内寄存器。 SCLK:串行时钟输入引脚。外部串行时钟加至此端以读取串行数据输入引脚输入的串行数据。 CS:片选引脚,低电平有效。 DOUT:用于菊花链(daisy chaining)的串行数据输出。 AGND:模拟电路的地基准点。 REFIN:基准电压输入引脚。 OUT:DAC模拟电压的输出引脚。 V :工作电源引脚。 DDTLC5615的工作时序图如图 3-8;20 华 中