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      基于C8051F120的TEC溫度控制系統(tǒng)

      2014-07-03 09:44:18史湘?zhèn)?/span>薛德寬陳文娟黃興洲
      大學物理實驗 2014年3期
      關鍵詞:溫度控制溫度傳感器半導體

      史湘?zhèn)?,薛德寬,陳文娟,黃興洲

      (中國石油大學(華東),山東 青島 266580)

      傳統(tǒng)的控溫系統(tǒng)大多使用純模擬電路外接電磁繼電器控制加熱源的通斷以實現(xiàn)溫度控制,此種方案溫度控制精度低、慣性大、滯后性大、溫度電路設計復雜。文章在分析了半導體控溫的特點后,以 C8051F120單片機為核心,外接高精度PT100溫度傳感器得到儲物室溫度電壓信號,由溫度設定模塊得到溫度設定電壓信號,單片機處理這兩種電壓信號,利用PID溫度控制算法控制TEC控溫模塊,實現(xiàn)溫度精確的控制,具有控溫精度高、控溫范圍廣、響應時間短等優(yōu)點。[1-4]

      1 系統(tǒng)整體設計

      系統(tǒng)主要包括單片機控制模塊、PT100溫度檢測模塊、溫度設定顯示模塊、TEC控溫模塊、反饋電路和電源模塊等六個模塊。系統(tǒng)總體框架圖,見圖1。

      圖1 系統(tǒng)總體框架圖

      2 系統(tǒng)硬件設計

      系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、PT100溫度檢測模塊、溫度設定顯示模塊、TEC控溫模塊、反饋電路和電源模塊等六個模塊組成。下面將對重要模塊予以介紹

      2.1 單片機控制模塊

      C8051F120單片機是集成了12位A/D、D/A電路8051的內核混合信號控制器。由于本控溫系統(tǒng)采用PT100溫度傳感器,此傳感器精度高但是輸出信號為模擬信號,并且單片機對TEC溫度控制模塊中的PID電路控制需要使用模擬信號,所以采用集成了 A/D、D/A轉換電路的C8051F120 單片機為控制內核。[11-12]

      單片機主要通過IO口接收PT100溫度傳感器輸入的電壓信號和溫度設定模塊輸入的電壓信號,通過內部程序對這兩種電壓信號進行處理后輸出相應的數(shù)字信號,通過D/A轉換電路進行數(shù)模轉換為模擬信號,該模擬信號送到TEC溫度控制模塊實現(xiàn)溫度控制。

      2.2 PT100溫度檢測模塊

      溫度檢測模塊承擔著檢測溫度并將溫度信息傳輸?shù)絾纹瑱C的任務,由PT100溫度傳感器和信號放大電路組成。鉑電阻最常應用于中低溫區(qū),精度高穩(wěn)定性好具有一定的非線性,溫度越高電阻變化率越小測量范圍一般為-200~850℃。

      目前應用最廣泛的是PT100溫度傳感器。PT100鉑熱電阻與溫度的關系如下

      式中:Rt溫度為t℃時鉑電阻的電阻值,R0是溫度為0時鉑電阻的電阻值,ABC為常數(shù)

      信號放大電路采用OP07E放大器,溫度信號輸入采用差動放大模式輸入電壓范圍為+/-14V輸出電壓范圍為 +/-12V。[5]設計電路,見圖2。

      圖2 OP07E放大電路

      U1放大器放大倍數(shù)為:

      PT100溫度傳感器通過OPO7E放大電路接到單片機的IO口上,單片機接收到經過放大的模擬信號,由內部的AD轉換電路轉化數(shù)字信號,通過程序處理溫度數(shù)字信號得到實時溫度,達到檢測溫度的目的。[7-10]

      2.3 溫度設定顯示模塊

      溫度設定顯示模塊承擔著儲物室內溫度的顯示,所需溫度的設定。溫度設定及顯示模塊由4*4矩陣鍵盤、12864液晶構成。矩陣鍵盤和12864液晶按常規(guī)接法接到單片機的IO口上。通過鍵盤輸入設定溫度,單片機接收到溫度設定信號,單片機接收溫度傳感器得到的信號,將這兩種信號通過內部程序處理將溫度設定信息、儲物室實時溫度顯示在12864液晶上。

      2.4 TEC控溫模塊

      本系統(tǒng)的控溫模塊由半導體制冷片組、SSR-40DA固態(tài)繼電器、可控硅觸發(fā)電路、PID控制電路、功放電路和反饋電路組成。半導體制冷是第三代制冷技術,半導體制冷也稱熱電制冷,是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科,它利用特種半導體材料構成的P-N結形成熱電偶對,產生珀爾帖效應,即通過直流電制冷的一種新型制冷方式。與傳統(tǒng)的制冷技術相比,它的優(yōu)點在于:

      (1)結構簡單,無噪音、無磨損、無污染、可靠性高;(2)制冷速度快,控制靈活;(3)熱電堆可以任意排布、大小形狀可變。[8]由于上述優(yōu)點,本控溫系統(tǒng)采用半導體制冷。

      SSR-40DA固態(tài)繼電器使用非常簡單,只要在控制端TTL電平,即可實現(xiàn)對繼電器的開關,使用時接NPN型三極管構成射極輸出器電路,以提高驅動電流三極管的基極連接單片機的一個IO口,當單片機的該IO口為高點平時,三極管驅動固態(tài)繼電器工作,接通半導體制冷片工作,半導體制冷片組制冷,當單片機的該IO口為低電平時固態(tài)繼電器關斷,半導體制冷片組停止工作。[9]可控硅觸發(fā)板是通過調整可控硅的導通角來實現(xiàn)電氣設備的電壓電流功率調整的一種移相型的電力控制器,圖3為可控硅移相觸發(fā)器KC785外電路連接圖,圖4為 PID控制電路,圖5為功放電路。

      圖3 可控硅移相觸發(fā)器KC785外電路連接

      圖4 PID控制電路

      圖5 功放電路

      由溫度設定和顯示模塊輸入設定溫度值,單片機對設定溫度值進行查表計算后轉換為對應的電壓數(shù)字值,通過12位的數(shù)模轉換器得到與之精確對應的電壓信號,此電壓值于溫度傳感器測量的電壓值進行比較產生一個誤差信號,經過PID電路后,獲得一個控制量給控制SSR-40DA固態(tài)繼電器的IO口,控制半導體制冷片組,構成實時閉環(huán)系統(tǒng),同時實際測量電壓值并顯示在顯示模塊上輸出控制D/A轉換電路轉換成電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路,從而控制可控硅通斷率,通過調節(jié)半導體制冷片中電流即可達到控制溫度恒定的目的。

      3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

      3.1 PID溫度控制算法

      溫度控制技術大致可分為定值開關控溫法PID線性控溫法。定值開關控溫法通過軟件計算判別系統(tǒng)溫度上升至設定點時關斷電源,當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源,因而無法克服溫度變化過程的滯后性,致使被控溫度控制精度低。當我們不完全了解被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)時,最適合用PID控制技術。PID線性控溫法主要取決于比例值、積分值、微分值,只要三參數(shù)選取的正確,就能大幅度提高溫度的控制精度。當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值而是控制量的增量時需要用PID的增量算法,本系統(tǒng)則采用PID的增量算法。

      位置式PID控制算法

      增量式PID算法

      系統(tǒng)的溫度控制采用的就是PID增量式控制算法。比例系數(shù)KP、積分時間T1和微分時間TD的大小是控制系統(tǒng)設計的核心內容。在實際的應用中,更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù),該溫度控制系統(tǒng)采用的就是湊試法來確定PID的參數(shù)。在湊試時,針對比例系數(shù)、積分時間和微分時間參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢,對參數(shù)調整實行先比例、后積分、再微分的整定步驟。

      3.2 軟件程序

      軟件程序是本系統(tǒng)的核心它包括從溫度采樣到信號輸出的整個流程控制,見圖6。

      圖6

      程序功能主要由以下的幾部分組成:

      (1)系統(tǒng)初始化:將系統(tǒng)回歸原始開機狀態(tài)。

      (2)鍵盤輸入:單片機獲得設定的溫度。

      (3)液晶顯示:將信息顯示在121864液晶上。

      (4)溫度控制:PID溫度算法。

      (5)溫度檢測程序:獲取儲物室內的溫度。[2]

      4 結 論

      文章提供了一整套溫度控制系統(tǒng),裝置結構簡單,溫度控制精確,響應時間快;系統(tǒng)采用半導體制熱制冷,同時采用了PID溫度算法提高了測溫控溫精度。實驗證明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)3~80℃的控溫,控溫精度達0.5℃。

      [1] 尚玉沛,石林鎖,張振仁.最小二乘法在高精度溫度測量中的應用[J].傳感器技術,2000,19(1):47-48.

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      [5] 趙鴻圖.單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2008.24(9-2):54-56.

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      [11]楊幼柜,等.基于單片機與傳感器的金屬線脹條數(shù)的測定[J].大學物理實驗,2013(4):40-44.

      [12]白炳良,等.基于單片機的開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設計[J].大學物理實驗,2013(6):58-61.

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