一種基於單片機的多tec調溫控制系統的製作方法

2023-10-10 16:14:24 1

專利名稱：一種基於單片機的多tec調溫控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種TEC的雙向調溫控制系統，尤其涉及ー種基於單片機的多TEC調溫控制系統。
背景技術：
熱電製冷器(Thermoelectric Coolers) TECj S也稱半導體製冷器,是一種新型的帶制熱和製冷功能的器件，常應用於空間有限和高可靠性的場合。熱電製冷器的功能實現取決於供電電流的方向，改變電流方向，則制熱和製冷面反轉，調節電流量的大小，即可調節製冷量的輸出。熱電製冷器實際工作時，熱端溫度由環境溫度和熱端散熱量決定，製冷量由冷負荷和製冷溫度決定。當熱端溫度和製冷量一定時，工作電壓和冷端電壓相對應。調整電偶的工作電壓，可使熱電製冷器在不同的熱端溫度下保持冷端溫度恆定。熱電製冷器具有結構簡単，無磨損、可靠性好、壽命長、啟動快、控制靈活，精度高的特點。 隨著現代航天技術的發展，航天領域很多空間設備需要溫控系統，常見的被動熱控不足以滿足局部部件最佳工作狀態對溫度的要求，特別是CCD等光電探測器的工作溫度直接影響到獲得數據的精度，探測器隨著溫度的變化，讀出噪聲會有不同程度變化，要想獲得高質量的圖像數據，給探測器提供穩定的溫度工作環境是必要的手段之一。因此，高精度的溫度控制系統特別顯得十分重要。在實際系統中，探測器所處的環境比較複雜，包括與探測器相連的安裝部件，環境溫度、探測器自身的發熱情況等都是導致探測器工作溫度不能恆定在最佳工作點的因素，單片TEC製冷量和製冷面積有限，往往難以滿足溫度恆定的精度要求，影響了探測器最佳性能發揮，另外，在某些特殊情況下，還需要對被控物進行反向溫控，如某個進行階段制熱，以期望實現某種控制目標。

發明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發明提供了ー種具有控制靈活、可靠性強、精度高以及速度快等優點的基於單片機的多TEC調溫控制系統。本發明的技術解決方案是本發明提供了一種基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特殊之處在於所述基於單片機的多TEC調溫控制系統包括用於接收溫控的外部指令，並將採集到的測溫數據進行計算得出各個溫控目標的控制電壓數字量的單片機、用於對溫控對象進行調溫控制的驅動模塊以及用於對被控對象進行測溫的測溫模塊；所述測溫模塊通過單片機與驅動模塊相關聯。上述驅動模塊包括D/A轉換器、第一運算放大器、PMW發生器以及驅動電路；所述D/A轉換器通過第一運算放大器接入PMW發生器；所述PMW發生器接入驅動電路；所述單片機接入D/A轉換器。上述驅動電路是單向驅動電路或雙向驅動電路。上述D/A轉換器是AD664的12位D/A轉換器。
上述測溫模塊包括恆流源、溫度傳感器、第二運算放大器、模擬選擇開關以及A/D轉換器；所述恆流源、溫度傳感器、第二運算放大器、模擬選擇開關以及A/D轉換器依次連接；所述A/D轉換器接入單片機。上述溫度傳感器是熱敏電阻，所述熱敏電阻是ー個或多個。上述A/D轉換器是AD674的12位A/D轉換器。上述基於單片機的多TEC調溫控制系統還包括用於接收控制指令並回傳採集到的溫度值的通訊模塊；所述通訊模塊與單片機連接。上述單片機的型號是80C32。本發明的優點是
I、控制靈活。本發明所提供的基於單片機的多TEC調溫控制系統是對被控對象本身及其鄰近環境都加以溫度控制，在鄰近位置進行單向的溫度控制的同時對被控對象進行溫控。此外，ー些特殊的探測器在長時間工作後需要定期加熱到一定溫度進行熱像元的消除，因此，對該類探測器進行雙向溫控也是必要的功能之一。本發明在主要エ況即需要製冷的情況下，控制相對穩定的鄰近環境溫度的同時再對被控對象進行溫控。特殊情況下，當需要制熱時，単獨對被控對象進行制熱控制，為了解決該問題，本發明還特殊的採用橋式電路與多個但單組MOSFET管構成組合電流控制単元，單片機對採集到的多點測溫值和溫度目標值PID計算後輸出12位數位訊號經D/A轉換成多點被控對象的模擬控制電壓值，需雙向溫控的電壓值經過PWM發生器產生四路可調製的PWM信號，分別輸入到由分立器件組成的H橋電路的四個輸入端，實現對被控對象電流大小和方向的控制，達到雙向、調溫的目的，需單向溫度控制的，經過PWM發生器產生多路可調製的PWM信號，輸入到多個單組MOSFET管構組成的控制單元，實現鄰近位置的溫控，為在空間有限，需要高精度溫度控制場合提供可靠的溫度保障。具備對被控對象進行雙向溫控，並輔助以單向溫控的功能，其控制方式靈活多祥。2、可靠性強。本發明所提供的基於單片機的多TEC調溫控制系統可同時控制多個TEC，保證了溫度的穩定性。本發明對冷、熱端溫度與工作電壓進行綜合考量，使製冷器在最小功耗的情況下達到最佳的製冷效果，可實時監控、體積小，控制可靠，精度高。


圖I是本發明所提供系統的框架示意圖；圖2是本發明所提供系統的較佳結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明的基於單片機的多TEC雙向溫控系統，是由單片機1，測溫模塊2，驅動模塊3、通訊模塊4，四部分組成，這四個模塊集成在一塊電路板上，測溫模塊2通過單片機I接入驅動模塊3，通訊模塊4與單片機I相連，各模塊間通過PCB的板上連線連接。單片機I是以80C32為控制核心，一方面用於接收溫控的外部指令，一方面將採集到的測溫的數據進行計算，得出各個溫控目標的控制電壓的數字量。同時通過通訊接ロ輸出溫控目標和當前被控對象的溫度顯示數字量。驅動模塊3包括D/A轉換器31，採用AD664作為12位D/A轉換晶片，第一運算放大器，PWM發生器32以及驅動電路33，D/A轉換器31、第一運算放大器，PWM發生器32以及驅動電路33依次連接；驅動電路33是單向驅動電路和雙向驅動組合電路。D/A轉換器採用AD664，12位D/A轉換器件，用於將單片機計算的數字電壓值轉換成電壓值。轉換後的電壓值經過濾波、放大，送至PWM發生器32，PWM發生器32根據電壓值分別輸出調製後的PWM脈衝。
對於單向驅動電路，單向驅動電路可以是常用的各種單向驅動，本發明由多組運算放大器和MOSFET管2N7224為核心器件，通過不同佔空比的PWM脈衝的控制，實現對多個溫控對象提控單向調溫控制。對於雙向驅動電路，也就是經典的H橋電路，其由4個MOSFET管為核心器件，通過對4路不同佔空比的PWM脈衝的控制，實現對主控對象的溫度雙向和調溫的控制。測溫模塊2包括恆流源22，多個溫度傳感器6，第二運算放大器，模擬選擇開關23，A/D轉換器21組成，恆流源22、溫度傳感器6、第二運算放大器、模擬選擇開關23以及A/D轉換器21依次連接；A/D轉換器21接入單片機I。溫度傳感器6是熱敏電阻，可以是一個或多個。恆流源22由運算放大器0P470和M0SFETIRF540N管來實現組成，為熱敏電阻提供恆定的電流。在本發明中溫度傳感器6採用多個熱敏電阻，其中兩個分別置於被控對象的兩偵牝其餘的緊置於主控對象的四角，熱敏電阻的功能是將被控對象的溫度值及被控對象周邊的溫度值轉化成電壓值。經過第二運算放大器後的多路電壓值輸入模擬選擇開關23後，單片機I給出路選擇信號，按選擇輸出採集的電壓。A/D轉換器21，採用AD674作為12位A/D轉換晶片，將模擬選擇開關23輸出的電壓值進行12位的A/D轉換。 對外接口有三個，通訊模塊4接收外來計算機的控制指令，包塊是否溫控，溫控參數，同時輸出測量到的溫度值。測溫模塊2接收外來溫度傳感器的溫度轉換成電壓的測量值，同時提供用於溫度轉換的恆流源。驅動模塊3對控制對象輸出控制電壓，實現溫度控制。利用上述的溫控系統，可以實時讀回被控目標及鄰近環境的溫度，且可對溫控目標溫度進行調控，從而實現了一種高精度的、可監控的多TEC溫控系統。本發明所提供系統的控制原理是控溫目標的溫度以及鄰近溫控目標的溫度變化經多個熱敏電阻傳感器轉化成電阻的變化，通過恆流源提供的電流將電阻的變化進一步轉化成電壓的變化，經過濾波、去噪和高精度的放大，多路模擬選擇開關選擇，逐一進行12位的A/D轉換，讀入單片機。單片機根據各點量溫度和目標溫度，採用PID的控制算法，分別輸出12位的數字控制量，經過D/A轉換，將控制量轉化成模擬電壓值。對於被控目標鄰近溫度採用單向溫控方法，將對應的D/A轉換電壓值經運算放大器後，經過PWM發生器，通過調製PWM的佔空比，將PWM信號送至MOSFET管，實現對TEC的單向溫度控制。在本系統中，通過以上方法被控對象鄰近環境進行多點TEC控制，使被控目標的環境溫度向目標溫度調整。而被控目標通過PWM調製後的信號,打通H橋電路一個方向的橋臂，實現被控目標一個方向的溫控。另外，在某些特殊工況下被控目標不僅需要單向的製冷控制，還需要進行加熱控制，由於雙向溫控設計的是H橋電路，PID計算後單片機輸出12位數位訊號經D/A轉換成被控對象的模擬控制電壓值，經過PWM發生器產生四路可調製的PWM信號，分別輸入到由分立器件組成的H橋電路的四個輸入端，打通H橋電路另一個方向的橋臂，關斷製冷方向的橋臂，改變了電流的方向，實現對被控對象電流大小和方向的控制，達到雙向、調溫的目的。如圖2所示，系統開始工作時，首先單片機I根據通訊指令讀入溫控系統工作狀態，如需要溫控，則進入溫控狀態，否則溫控停止，等待命令。當系統進入溫控狀態時，根據通訊指令判斷溫控方式人工幹預方式或自動調節方式。人工幹預方式是根據對讀入的通訊指令進行解碼，解析出控制目標溫度；自動調節方式的目標溫度是存儲在單片機存儲器內，目標溫度為一固定值。無論何種控制方式，調溫的過程是一致的，溫控過程如下被控目標及鄰近環境通過測溫模塊2，恆流源22提供恆流電源，電流流過熱敏電阻，附著在被控對象的熱敏電阻兩端的電壓值即反映了被控對象的溫度值。經去噪、放大後的電壓值經A/D轉換21轉換成12位的數字量。由於本控制系統是多TEC控制系統，因此也對多點進行測溫，即由多個測溫電阻測得多個電壓值，所以本系統中通過模擬選擇開關23進行多路選擇，將測得的電壓值逐一選擇輸入到單片機I。單片機I寫入12位的溫度數字量，根據目標溫度，進行PID計算，計算出控制方·向及控制量的數字量輸入到驅動模塊3。控制電壓數字量經D/A轉化電路31，轉化出的模擬電壓值，再經運算放大器至PWM發生器32，PWM發生器根據單片機I輸出的控制電壓，對PWM脈衝的佔空比進行調製，佔空比越大，流過TEC的電流越大，反之則越小。驅動電路33包括四組單向驅動電路，和一個雙向驅動電路。單向驅動電路由運算放大器和M0SFETT管2N7224組成，提供給TEC的電流與PWM的佔空比成正比。雙向驅動電路由4個M0SFETT管，分別是2個P溝道M0SFETT管，2個N溝道M0SFETT管組成。PWM發生器32輸出正負電壓、佔空比可調的PWM脈衝，實現一個電流方向的導通，另一個方向的截止，且電流可調；同理，另一個方向導通，一個方向截止，電流可調，實現雙向溫控。
權利要求
1.一種基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述基於單片機的多TEC調溫控制系統包括用於接收溫控的外部指令並將採集到的測溫的數據進行計算得出各個溫控目標的控制電壓的數字量的單片機、用於對溫控對象進行調溫控制的驅動模塊以及用於對被控對象進行測溫的測溫模塊；所述測溫模塊通過單片機接入驅動模塊。
2.根據權利要求I所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述驅動模塊包括D/A轉換器、第一運算放大器、PMW發生器以及驅動電路；所述D/A轉換器通過第一運算放大器接入PMW發生器；所述PMW發生器接入驅動電路；所述單片機接入D/A轉換器。
3.根據權利要求2所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述驅動電路是單向驅動電路或 雙向驅動電路。
4.根據權利要求3所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述D/A轉換器是AD664的12位D/A轉換器。
5.根據權利要求I所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述測溫模塊包括恆流源、溫度傳感器、第二運算放大器、模擬選擇開關以及A/D轉換器；所述恆流源、溫度傳感器、第二運算放大器、模擬選擇開關以及A/D轉換器依次連接；所述A/D轉換器接入單片機。
6.根據權利要求5所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述溫度傳感器是熱敏電阻，所述熱敏電阻是ー個或多個。
7.根據權利要求6所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述A/D轉換器是AD674的12位A/D轉換器。
8.根據權利要求1-7任ー權利要求所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述基於單片機的多TEC調溫控制系統還包括用於接收控制指令並回傳採集到的溫度值的通訊模塊；所述通訊模塊與單片機連接。
9.根據權利要求I所述的基於單片機的多TEC調溫控制系統，其特徵在於所述單片機的型號是80C32。
全文摘要
本發明涉及一種基於單片機的多TEC調溫控制系統，該系統包括用於接收溫控的外部指令，並將採集到的測溫數據進行計算得出各個溫控目標的控制電壓數字量的單片機、用於對溫控對象進行調溫控制的驅動模塊以及用於對被控對象進行測溫的測溫模塊；測溫模塊通過單片機與驅動模塊相關聯。本發明提供了一種具有控制靈活、可靠性強、精度高以及速度快等優點的基於單片機的多TEC調溫控制系統。
文檔編號F25B49/00GK102721243SQ20111007902
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者喬衛東, 宋宗璽, 杜雲飛, 楊文剛, 樊學武, 段永強, 胡炳樑, 高偉 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所