基于C8051F120的TEC溫度控制系統(tǒng)

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℃。

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