摘要：本文介紹了基于ADuC841單片機(jī)和半導(dǎo)體加熱制冷片的小型溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計采用半導(dǎo)體加熱制冷片作為溫度控制的執(zhí)行部件，溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測并提供反饋信號，在控制器單片機(jī)上實現(xiàn)增量式PID控制算法。本設(shè)計的應(yīng)用為實現(xiàn)快速、精確的小型溫度控制系統(tǒng)提供了一種體積小、功耗低、經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；單片機(jī)；半導(dǎo)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(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(tǒng)精度、可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對小型溫控系統(tǒng)的實際要求，選用體積小、重量輕、工作噪音低的半導(dǎo)體加熱制冷片作為執(zhí)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(jī)作為控制器，選擇合適的PID算法來實現(xiàn)對溫控箱溫度的快速、精確控制。

2     系統(tǒng)總體設(shè)計方案

整個溫控系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)外雙層的設(shè)計，中間布置有控制電路和執(zhí)行器件，以及水冷系統(tǒng)管道，憑借液冷散熱器的高熱交換效率，可以提高系統(tǒng)的溫控性能。

                              圖1  系統(tǒng)方案示意圖

系統(tǒng)硬件電路主要分為兩個部分（如圖1所示），即單片機(jī)和溫度傳感器的反饋控制部分和功放及半導(dǎo)體加熱制冷片的執(zhí)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(shù)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(nèi)部的ROM中，所以可以在同一條溫度測量總線上實現(xiàn)多點采集，從而能夠更加精確地給出系統(tǒng)溫度值。

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

系統(tǒng)控制器選用ADI公司的ADuC841型單片機(jī)，此類型單片機(jī)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(kuò)展提供的32位可編程I/O，兼容SPI和標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)如下功能：

(1) 與MAX232連接，進(jìn)行和串口的數(shù)據(jù)通信，可以用于給單片機(jī)下載控制程序，同時可以在電腦上實時顯示目標(biāo)溫度和實際溫度等參數(shù)。

(2) 通過DAC0輸出控制信號，控制半導(dǎo)體加熱制冷片執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

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

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

單片機(jī)程序中主要包括延時函數(shù)、復(fù)位函數(shù)、位讀寫函數(shù)、字節(jié)讀寫函數(shù)、DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)、DS18B20的控制函數(shù)以及控制算法部分，從而可以實現(xiàn)小型溫控系統(tǒng)的基本功能。

2.2   執(zhí)行部分

整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件選擇的是型號為TEC1-7108T125的半導(dǎo)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(dǎo)體加熱制冷片電控實現(xiàn)方案

2.5V的參考Cref電壓通過運放LMC6482AIM（U1A），即電壓跟隨器，進(jìn)入運放LMC6482AIM。因集成功率放大器輸出后的反饋電阻為0.17Ω，所以反饋電壓為 。又因單片機(jī)控制信號進(jìn)入集成功率放大器LM12CL的IN＋的電壓范圍為0～Cref（即0～2.5V），所以要控制進(jìn)入集成功率放大器LM12CL的IN－的電壓范圍也為0～2.5V，則設(shè)計如上電阻，經(jīng)計算有：

       
3     控制算法的選擇

本設(shè)計中采用常見的PID控制算法，通過對實際溫控箱進(jìn)行溫度實驗，確定PID的控制參數(shù)，調(diào)整控制算法。

實驗中將溫控箱視作一階系統(tǒng)進(jìn)行處理。先后向?qū)嶒灡豢貙ο笏腿牍潭ㄕ?A加熱電流和反向-1A制冷電流，測量得到溫度變化曲線如分別如圖3(a)和(b)所示。

                                                  (a)                     

                                                      (b)

圖3  加熱與制冷溫度變化曲線

理論模擬得到曲線方程分別為：

               
                                 圖4  增量式PID控制算法溫度變化曲線

可以看出大概有1.5℃的超調(diào)量，但是本算法建立時間短，而且最終穩(wěn)定精度高。

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，微分環(huán)節(jié)在溫度控制系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，能夠反映出偏差信號的變化趨勢，并且能夠在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快了系統(tǒng)的動作反應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間。當(dāng)溫度每發(fā)生一個大約0.07℃的變化梯度時，微分作用會導(dǎo)致很大的控制信號正負(fù)跳變，消耗較大功率，所以在實際控制算法中給微分環(huán)節(jié)加入了一個低通數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。

4     系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中使用單片機(jī)作為主控芯片，整個C語言主函數(shù)包含的子函數(shù)模塊主要有：延時函數(shù)、復(fù)位函數(shù)、位讀函數(shù)、位寫函數(shù)、字節(jié)讀函數(shù)、字節(jié)寫函數(shù)、DAC1數(shù)模轉(zhuǎn)換、讀取溫度函數(shù)等。

                               
                   圖5  單片機(jī)控制DS18B20讀取溫度子程序流程圖

根據(jù)DS18B20工作條件以及指令說明，單片機(jī)控制讀取溫度的控制子程序流程圖如圖5所示，主要實現(xiàn)以下幾個功能：

CCH SKIP ROM跳過存儲器命令：主器件單片機(jī)可以使用跳過存儲器命令來呼叫總線上所有從器件，而不必通過發(fā)送每個從器件的存儲器代碼逐個呼叫。

0xBE讀暫存寄存器命令：單片機(jī)可以讀取暫存寄存器中的內(nèi)容。數(shù)據(jù)發(fā)送以暫存寄存器字節(jié)0的最低位開始，一直到第9字節(jié)。任何時候只要單片機(jī)想讀暫存寄存器中的數(shù)據(jù)，就先發(fā)送復(fù)位命令，再使用讀暫存寄存器命令。

44H溫度轉(zhuǎn)換命令：溫度轉(zhuǎn)化命令初始化一次溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果被保存在兩字節(jié)溫度寄存器中，然后DS18B20進(jìn)入到低電壓零狀態(tài)。

以上程序反復(fù)運行，就可以通過DS18B20實時對溫度進(jìn)行讀取。

5   結(jié)語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種利用半導(dǎo)體加熱制冷片，基于單片機(jī)的小型實驗用溫控系統(tǒng)，能夠在較低的功耗下實現(xiàn)快速溫度變化控制。通過做全功率加速和制冷的實驗，得到了最大加熱溫度可到90℃，而最大制冷溫度能到約-10℃。系統(tǒng)控制溫差范圍約100℃，穩(wěn)定后的溫度波動為±0.1℃之內(nèi)。

本設(shè)計屬于國防科研項目，主要用于對MEMS器件進(jìn)行溫度特性測試，已投入使用，長時間工作穩(wěn)定，并且具有較好的快速性，完全可以滿足溫度特性測試的項目要求。

本文作者創(chuàng)新點：采用半導(dǎo)體加熱制冷片作為小型溫控箱的加熱與制冷執(zhí)行元件，DS18B20溫度傳感器反饋溫度信號，并且以單片機(jī)作為控制單元，使用增量式PID控制算法取代普通PID控制，實現(xiàn)了一種經(jīng)濟(jì)、有效而且穩(wěn)定的溫控方案。