溫差發(fā)電中的單片機溫度自動控制系統(tǒng)

【摘 要】當由溫差熱電模塊組成的車載溫差發(fā)電系統(tǒng)回收發(fā)動機排氣廢熱的能量時，對于溫差模塊熱端的溫度控制是整個發(fā)電系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作的重點。以STC12系列單片機作為溫度檢測控制的智能核心，以高精度、高穩(wěn)定性、高擴展性和低成本為設計原則進行設計。硬件電路選用LM358運算放大器做信號放大，PCD8544串行顯示模塊；軟件設計方面采用模塊化設計思路，提高安全性和穩(wěn)定性，提供較強的可擴展性，易于管理。

【關鍵詞】溫差發(fā)電；溫度控制；單片機

德國人托馬斯.塞貝克在1823年發(fā)現，兩種不同的金屬構成的回路中，如果接口處的溫度不同，周圍會出現磁場。進一步的試驗研究發(fā)現，回路中有溫差電動勢的存在。后來稱這種現象為塞貝克效應或熱電第一效應。

利用塞貝克效應，可以實現熱能到電能的轉換，進而存儲和利用。這在航天設備、野外生產、廢熱回收以及軍事等領域都具有廣泛的應用前景，熱電材料和熱電器件的研制生產已成為當今熱點。本文關注于熱電器件在發(fā)動機排氣廢熱回收發(fā)電領域的應用——準確的監(jiān)測和控制熱電系統(tǒng)冷熱端的溫差條件是保證溫差發(fā)電系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和提高發(fā)電功率的前提條件。

采用單片機系統(tǒng)對溫度參數進行采樣監(jiān)測和調節(jié)控制在大大簡化控制系統(tǒng)硬件結構的同時，有效的保證控制系統(tǒng)具有持續(xù)、穩(wěn)定的工作特性[1][4]。在實際應用中，由于不同的溫差發(fā)電器件發(fā)電時能夠承載的最高溫度不同，通過對控制程序的修改[2]能夠更廣泛的應用于不同溫差發(fā)電器件的工作環(huán)境中。本文的控制過程如下：溫差發(fā)電模塊接入熱源后，冷熱端產生溫差開始發(fā)電，熱電偶溫度傳感器輸出電壓信號，經放大電路放大后送入單片機進行A/D模數轉換。

得到數字量并進行采樣，單片機根據控制程序的設定對溫度采樣數據進行運算和判斷，在達到控制條件時輸出控制信號驅動散熱單元進行熱端溫度控制。

1、硬件組成

為獲取一定的溫差電動勢便于存儲和利用，需通過串聯和并聯的方式將多個溫差發(fā)電模塊連接在一起，所以對于模塊工作溫度的監(jiān)測和控制也要求多路實現[3]。本系統(tǒng)采用STC12LE5A60S2為控制核心，這是由STC生產的單時鐘/機器周期的單片機，具備高速、低功耗、超強抗干擾，較強的擴充性和大范圍尋址能力，其指令集完全兼容傳統(tǒng)的8051系列，但速度快8到12倍。因為該系統(tǒng)應用在廢熱回收的高溫環(huán)境中，故采用分度號為PT100的鉑金熱電偶作為溫度傳感器。使用LM358和熱電偶傳感器搭配作放大電路，LM358具有低輸入偏流、低輸入失調電壓和失調電流、對直流電壓具有約100dB的高增益、較大的輸出電壓擺幅等特點。本文研究針對各個溫差發(fā)電模塊的熱端溫度進行測量和控制，所以多個被控制對象的溫度參數需要顯示和設定，采用PCD8544串行CMOS LED控制驅動器，能夠驅動48行84列的圖形或文字顯示。

系統(tǒng)原理流程圖[5]如圖1所示：

1.1熱電偶傳感器和放大電路

熱電偶溫度傳感器在工業(yè)生產中廣泛應用，熱電偶本身利用了熱電效應，兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，其本質是能量轉換器件。結合本文溫差發(fā)電模塊工作溫度范圍220-250℃，采用分度號為PT100的鉑金熱電偶。信號經由LM358放大器構成的放大電路放大后進入STA12單片機進行A/D模數轉換和采樣處理。

1.2采樣精度

溫差發(fā)電模塊安裝在發(fā)動機排氣通道上對發(fā)動機的排氣廢熱進行能量回收，發(fā)動機開始工作后，可近似的認為排氣管溫度的上升是線性平滑曲線[6]。STA12系列單片機集成共10路8位A/D數模轉換器，特別適合作多路采集控制?？紤]測量的準確性、及時性和控制的精確性，信號采樣從系統(tǒng)上電完成初始化后即開始工作。設置采樣頻率為50Hz，測量誤差低于±1.4℃。

1.3溫度控制條件的輸入與顯示

控制程序與溫度參數的控制值的輸入通過RS232串口燒錄進單片機，并在PCD8544液晶模塊上顯示出設定的控制溫度值和傳感器采集的各個溫差發(fā)電模塊的當前溫度值。使用串口通訊也便于設備投入使用后進行控制程序的優(yōu)化或調整溫度控制量等操作。

2、軟件設計

2.1控制規(guī)律的選擇

本文的溫度控制過程是一種反饋調節(jié)：溫度采樣開始后對實際工作溫度和設定的控制上限溫度進行比較，達到上限后，散熱部件進行降溫操作；于此同時，通過對傳感器實時采集溫度參數繼續(xù)比較，降溫操作直到達到設定的溫度下限時散熱部件停止工作，以期溫差發(fā)電模塊冷熱端在溫差值較大的條件下工作并保證器件的安全穩(wěn)定。從溫差發(fā)電系統(tǒng)的全局考慮，每個溫差發(fā)電模塊都在安全的溫度區(qū)間的溫度上限附近工作，會使整個溫差發(fā)電系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率。由此可見，該溫度控制系統(tǒng)其本質是進行多路采集多路控制的單參數PID控制。

應注意到可以選用的降溫方式有風冷、水冷、可控硅等方式。結合汽車發(fā)動機排氣廢熱的溫度控制工作環(huán)境、控制目標、控制精度、實施難度以及成本等因素綜合考慮，可選擇風冷的降溫形式。雖然控制精度較低，但是在一定的控制冗余條件下有較高的反應速度和低廉的使用及維護成本。

2.2主程序的設計

現今的軟件設計通常采用模塊化[7]的方式進行，將這幾個部分的功能劃分成相對獨立的功能塊，彼此之間的數據通信通過軟件接口連接，數據的處理將更為安全高效，且能夠提高代碼重復利用率，便于排錯且易于擴展軟件功能。隱藏了復雜的數據處理和計算過程，用戶界面簡單明了，避免誤操作，易于使用和維護。

根據流程圖如圖2所示可知，整套程序包括了溫度采樣測量、數據計算比較、控制輸出、液晶屏顯管理等幾個主要部分，且系統(tǒng)上電后完成持續(xù)無間斷的測量和控制任務。

考慮到系統(tǒng)的數據分辨率和測量精度的需求，將系統(tǒng)的定時器設定為每秒50次中斷，采樣頻率為50Hz。每次中斷開始讀取熱電偶信號，放大濾波后進行模數轉換并顯示測量值，之后對溫度數據進行控制計算，輸出控制脈沖。中斷終了后返回主程序并等待下次中斷采樣。

3、結 論

本溫度控制系統(tǒng)應用于溫差發(fā)電系統(tǒng)中，目的在于保證溫差發(fā)電模塊的熱端處于穩(wěn)定安全的溫度區(qū)間，進行溫度的精準控制，提高發(fā)電效率[6]。完成了溫度數據的采集、溫度上下限值的輸入，LED屏顯示測量值和測定值以及超限時的報警和控制功能，實現系統(tǒng)工作的溫度自動控制。整個設計的原理簡單、實現成本低、測量精度高、易于維護和使用等特點。對于溫差發(fā)電系統(tǒng)的使用實施具有現實意義和深刻的應用價值。

參考文獻

[1]徐愛華，單片機應用技術教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2]萬光毅，嚴義，刑春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006，4.

[3]李朝青，單片機原理及接口技術（簡明修訂版）[M].北京:北京航空航天大學出版社，1998.

[4]何希才，劉紅梅.新型通用集成電路實用技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，1997.

[5]黃根春，陳小橋，張望先，電子設計教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[6]鄧亞東，范韜，郭珣，等汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究，武漢理工大學學報:信息與管理工程版[J]，2010，4.

[7]馬忠梅，單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

作者簡介

唐栩宸（1985—），男 ，漢族，四川綿陽，碩士，現代測試技術與儀器.

董大偉，男，教授，博士生導師.