-.zPreciseTemperatureControlSystemDesignBasedonMicroprocessor

Abstract:Aprecisetemperaturecontrolsystembasedonmicroprocessorisdesignedinthispaper.Inthissystem,weusemicroprocessorasthekernelcontrolponentforPIDcalculating,DS18B20fortemperaturemeasurement.High-poweramplifierOPA548isusedtodriveTEC.Theerrorofthissystemis±0.1℃.

KeyWords:Microprocessor;TemperatureControl;PIDControl;摘要：本文設計了一種基于單片機的精細溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機為核心控制部件進展PID運算，數字式溫度傳感器DS18B20芯片測量溫度，大功率放大器OPA548驅動半導體致冷器TEC實現(xiàn)溫度控制，精度到達±0.1℃。

關鍵字：單片機；溫度控制；PID控制0引言

輻亮度標準探測器[1~3]是基于探測器的輻射定標中的關鍵組成局部，其光學核心部件濾光片輻射計的響應度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標準探測器的精度和穩(wěn)定性，本文設計了一種基于單片機精細溫度控制系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)具有精度高、體積小、穩(wěn)定性好的特點，應用前景廣闊。1系統(tǒng)硬件設計

本文所設計的精細溫控系統(tǒng)主要由數字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機、12位DA轉換器AD7248A[8]、半導體制冷器TEC、大電流驅動OPA548[9]、鍵盤、VFD顯示屏和RS－232串口通訊電路組成，其原理框圖如圖1所示。

單片機根據DS18B20測得被控對象濾光片輻射計的溫度，與設定置相比較，經過PID[10]控制算法調整DA的輸出電壓，進而控制半導體致冷器TEC進展制冷或加熱實現(xiàn)被控對象的恒溫，同時由顯示屏實時顯示當前溫度。各主要模塊簡介如下：

1.1數字式溫度傳感器DS18B20

DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的新一代數字式溫度傳感器，采用TO－92封裝。它具有獨特的單總線接口方式，將地址線、數據線、控制線復用為一根信號線，輸入輸出均為數字信號。這使得其與單片機接口變得十分簡單,抑制了模擬式傳感器與微機接口時需要的AD轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且本錢低、體積小、可靠性高。

DS18B20主要性能指標：〔1〕測溫*圍：-55～125℃，測量最高分辨率為0.0625℃，這是本系統(tǒng)實現(xiàn)控制精度要求的關鍵；〔2〕無需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數字量；〔3〕溫度轉換最大時間為750ms；〔4〕用戶可以設定報警溫度，存儲于EEPROM中。

1.212位數模轉換芯片AD7248A

本系統(tǒng)所選用的數模轉換器DAC是美國AnalogDevices公司的生產的AD7248A。這是一種帶有片載內置輸出放大器和基準電壓源的12位低功耗并行DA轉換器，其數據輸出建立時間只需30ns,12位數據以高8位和低4位分兩次寫入輸入鎖存器。在雙極性供電模式下，能產生±5V的輸出電壓。考慮到溫控模塊中的半導體致冷器件工作時需要雙極性電壓的特點，這里選擇雙極性供電工作模式。

1.3大電流驅動OPA548

由圖1溫控系統(tǒng)框圖可以看到，12位DA芯片輸出的電壓信號要送往半導體致冷器，通過控制流過致冷器的電流大小進而控制濾光片的溫度上下。但從AD7248A輸出的電壓信號，其電流驅動能力不夠強，因此需要參加電流驅動電路。設計中我們選用Burr-Brown公司的大電流驅動集成芯片OPA548，它可以提供峰值達5A連續(xù)3A的驅動電流。本系統(tǒng)采用雙極性供電模式，以配合DA轉換器的雙極性輸出，驅動半導體致冷器TEC實現(xiàn)加熱或制冷。

1.4半導體致冷器TEC

基于Peltier效應的熱電致冷器是由多對熱電致冷對在電氣上串聯(lián)、在熱傳導上并聯(lián)組成，如圖2所示。熱電對由鉍碲化合物摻雜形成的P型和N型半導體構成，它們與銅片相接，銅片則與電氣上絕緣而導熱良好的瓷板相連接。單個這樣的器件兩端的溫差最高可達70℃，串聯(lián)〔多層〕使用可提高溫差，并聯(lián)使用則可增加泵熱能力。熱電致冷器件特別適合于小熱量和受空間限制的溫控領域。改變加在器件上的直流電的極性即可變致冷為加熱，而吸熱或放熱率則正比于所加直流電流的大小。Pe1tier溫控器的設定溫度可以在一個較寬的*圍內任意選擇，可選擇低于或高于環(huán)境溫度。

在本系統(tǒng)中我們選用了**藍天高科電源**生產的半導體致冷器件TES1－12739,其最大溫差電壓14.7V,最大溫差電流3.9A最大致冷功率33.7W。

1.5其它局部

系統(tǒng)采用Samsung〔三星〕公司生產的真空熒光數碼顯示屏VFD用來實時顯示當前溫度，以觀察控制效果。鍵盤和串行通信接口用來設定控制溫度和調整PID參數。系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)開場工作時，首先由單片機控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過數字溫度傳感器DS18B20采樣被控對象的當前溫度值T1并送顯示屏實時顯示。然后，將該溫度測量值與設定值T比較，其差值送PID控制器。PID控制器處理后輸出一定數值的控制量，經DA轉換為模擬電壓量，該電壓信號再經大電流驅動電路，提高電流驅動能力后加載到半導體致冷器件上，對溫控對象進展加熱或制冷。加熱或制冷取決于致冷器上所加電壓的正負，假設溫控對象當前溫度測量值與設定值差值為正，則輸出負電壓信號，致冷器上加載負電壓溫控對象溫度降低；反之，致冷器上加載正向電壓，溫控對象溫度升高。上述過程：溫度采樣－計算溫差－PID調節(jié)－信號放大輸出周而復始，最后將溫控對象的溫度控制在設定值附近上下波動，隨著循環(huán)次數的增加，波動幅度會逐漸減小到*一很小的量，直至到達控制要求。為了加快控制，在進入PID控制前參加了一段溫差判斷程序。當溫度差值大于設定閾值Δt時，系統(tǒng)進展全功率加熱或制冷，直到溫差小于Δt才進入PID控制環(huán)節(jié)。圖4為系統(tǒng)工作主程序的軟件流程圖．3結論

本文設計的基于單片機數字PID控制的精細溫度控制系統(tǒng)，在實際應用中取得了良好的控制效果，溫度控制精度到達±0.1℃。經48小時連續(xù)運行考驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有效地降低了輻亮度標準探測器的溫度系數，使輻亮度標準探測器在溫度變化較大的