基于單片機(jī)的精密溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器[1~3]是基于探測(cè)器的輻射定標(biāo)中的關(guān)鍵組成部分，其光學(xué)核心部件濾光片輻射計(jì)的響應(yīng)度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的精度和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)精密溫度控制系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)具有精度高、體積小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的精密溫控系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機(jī)、12位DA轉(zhuǎn)換器AD7248A[8]、半導(dǎo)體制冷器TEC、大電流驅(qū)動(dòng)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(jī)根據(jù)DS18B20測(cè)得被控對(duì)象濾光片輻射計(jì)的溫度，與設(shè)定置相比較，經(jīng)過(guò)PID[10]控制算法調(diào)整DA的輸出電壓，進(jìn)而控制半導(dǎo)體致冷器TEC進(jìn)行制冷或加熱實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的恒溫，同時(shí)由顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度。各主要模塊簡(jiǎn)介如下：
1.1 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20
DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字式溫度傳感器，采用TO－92封裝。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線復(fù)用為一根信號(hào)線，輸入輸出均為數(shù)字信號(hào)。這使得其與單片機(jī)接口變得十分簡(jiǎn)單,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的AD轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。
DS18B20主要性能指標(biāo)：（1）測(cè)溫范圍：-55～125℃，測(cè)量最高分辨率為0.0625℃，這是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制精度要求的關(guān)鍵；（2）無(wú)需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數(shù)字量；（3）溫度轉(zhuǎn)換最大時(shí)間為750ms；（4）用戶可以設(shè)定報(bào)警溫度，存儲(chǔ)于EEPROM中。
1.2 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7248A
本系統(tǒng)所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC是美國(guó) Analog Devices 公司的生產(chǎn)的AD7248A。這是一種帶有片載內(nèi)置輸出放大器和基準(zhǔn)電壓源的 12 位低功耗并行 DA轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出建立時(shí)間只需 30ns, 12 位數(shù)據(jù)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(chǎn)生±5V 的輸出電壓。考慮到溫控模塊中的半導(dǎo)體致冷器件工作時(shí)需要雙極性電壓的特點(diǎn)，這里選擇雙極性供電工作模式。
1.3 大電流驅(qū)動(dòng)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(hào)要送往半導(dǎo)體致冷器，通過(guò)控制流過(guò)致冷器的電流大小進(jìn)而控制濾光片的溫度高低。但從AD7248A 輸出的電壓信號(hào)，其電流驅(qū)動(dòng)能力不夠強(qiáng)，因此需要加入電流驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)中我們選用Burr-Brown 公司的大電流驅(qū)動(dòng)集成芯片 OPA548，它可以提供峰值達(dá)5A連續(xù)3A的驅(qū)動(dòng)電流。本系統(tǒng)采用雙極性供電模式，以配合DA轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷器TEC實(shí)現(xiàn)加熱或制冷。
1.4 半導(dǎo)體致冷器TEC
基于Peltier效應(yīng)的熱電致冷器是由多對(duì)熱電致冷對(duì)在電氣上串聯(lián)、在熱傳導(dǎo)上并聯(lián)組成，如圖2所示。熱電對(duì)由鉍碲化合物摻雜形成的 P 型和 N 型半導(dǎo)體構(gòu)成，它們與銅片相接，銅片則與電氣上絕緣而導(dǎo)熱良好的瓷板相連接。單個(gè)這樣的器件兩端的溫差最高可達(dá) 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。