小型溫控系統的研究

摘要：本文介紹了基于ADuC841單片機和半導體加熱制冷片的小型溫度控制系統設計。本設計采用半導體加熱制冷片作為溫度控制的執行部件，溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測并提供反饋信號，在控制器單片機上實現增量式PID控制算法。本設計的應用為實現快速、精確的小型溫度控制系統提供了一種體積小、功耗低、經濟有效的解決方案。
關鍵詞：溫度傳感器；單片機；半導體加熱制冷片；增量式控制

1 引言

隨著微加工工藝的快速發展，微機電系統（MEMS）在各個領域得到了廣泛的應用，伴隨著器件的小型化，各個模塊的溫度特性成為影響整個系統精度、可靠性和穩定性的關鍵因素。針對小型溫控系統的實際要求，選用體積小、重量輕、工作噪音低的半導體加熱制冷片作為執行部件，“多點單總線”接口的DS18B20溫度傳感器作為反饋器件，而單片機作為控制器，選擇合適的PID算法來實現對溫控箱溫度的快速、精確控制。

2 系統總體設計方案

整個溫控系統在機械結構上采用內外雙層的設計，中間布置有控制電路和執行器件，以及水冷系統管道，憑借液冷散熱器的高熱交換效率，可以提高系統的溫控性能。

圖1 系統方案示意圖

系統硬件電路主要分為兩個部分（如圖1所示），即單片機和溫度傳感器的反饋控制部分和功放及半導體加熱制冷片的執行部分。

2.1 反饋與控制部分

DS18B20溫度傳感器是世界上第一個支持“多點單總線”接口的數字溫度傳感器，每一個DS18B20都有自己唯一的一個64為序列號存儲在內部的ROM中，所以可以在同一條溫度測量總線上實現多點采集，從而能夠更加精確地給出系統溫度值。

溫度測量范圍：-55℃～+125℃能夠滿足系統溫控需求，測溫分辨率可以達到0.0625℃，測得溫度通過符號擴展的16位數字量方式串行輸出。

系統控制器選用ADI公司的ADuC841型單片機，此類型單片機板載12位ADC以及兩個12位DAC，同時還擁有DMA控制器，為多處理器接口和I/O擴展提供的32位可編程I/O，兼容SPI和標準UART的串行I/O端口，并且還支持板載溫度檢測以及電源檢視等。

控制器主要實現如下功能：

(1) 與MAX232連接，進行和串口的數據通信，可以用于給單片機下載控制程序，同時可以在電腦上實時顯示目標溫度和實際溫度等參數。

(2) 通過DAC0輸出控制信號，控制半導體加熱制冷片執行機構。

(3) 連接DS18B20單一總線上各個芯片的DQ端口，實現對DS18B20的讀寫控制。

(4) 通過DAC1輸出與溫度值相對應的模擬電壓，從而可以實時觀察溫度變化。

單片機程序中主要包括延時函數、復位函數、位讀寫函數、字節讀寫函數、DAC轉換函數、DS18B20的控制函數以及控制算法部分，從而可以實現小型溫控系統的基本功能。

2.2 執行部分

整個控制系統的執行部件選擇的是型號為TEC1-7108T125的半導體加熱制冷片，這種加熱制冷片最大溫差電流8A、最大溫差67℃、最大工作電壓8.6V、最大制冷功率38.5W。

圖2 半導體加熱制冷片電控實現方案