淺析多通道TEC工業(yè)CCD相機保溫儀

徐爽　王勁松　王鋒

摘要：保溫控制在工業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事實驗中都有著決定性的影響。設(shè)計并實現(xiàn)了基于DS18b20為溫度傳感器的多通道溫度測量系統(tǒng)，實時測量保溫儀內(nèi)部溫度，傳輸?shù)絾纹瑱CSTC89c52，再由LCD12864的顯示系統(tǒng)顯示出保溫儀內(nèi)部溫度，根據(jù)測量得到的溫度經(jīng)單片機判斷最后由以TEC為核心的多通道溫度控制系統(tǒng)對保溫儀進行加熱或是制冷，達到保溫儀內(nèi)部保溫的效果。給出了各部分電路原理圖和實物圖。實驗結(jié)果表明，控溫穩(wěn)定性好，溫度波動性小，能很好的滿足多點溫度測試要求。

關(guān)鍵詞：保溫控制；TEC；DS18b20；多通道

中圖分類號：V443文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

在現(xiàn)代，CCD相機在多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，成為人類獲取信息的主要工具之一。做為一種半導(dǎo)體集成器件，CCD相機對環(huán)境溫度變化非常敏感，環(huán)境溫度過高，引起光學和機械誤差將導(dǎo)致相機的視軸漂移和光學系統(tǒng)的波前畸變，造成影像模糊，嚴重破壞成像質(zhì)量，而環(huán)境溫度過低直接會導(dǎo)致CCD相機不能工作。這就限制了其在一些溫度環(huán)境相對惡劣條件下的使用 。如產(chǎn)品環(huán)境模擬試驗，環(huán)境溫度低溫達到-40℃，高溫要60℃，這就要求CCD相機應(yīng)具有較寬的工作溫度適應(yīng)能力，通常有兩種方法，一是采用制造工藝，生產(chǎn)寬溫器件，二是采用保溫措施保證CCD器件的工作環(huán)境溫度，因后者的成本較前者低，被廣泛采用。據(jù)此文中設(shè)計了多通道CCD保溫儀，采用DS18b20為溫度傳感器和TEC半導(dǎo)體為制冷制熱器件，STC89c52為中心控制器件，可實現(xiàn)-50℃～+70℃較惡劣環(huán)境溫度下CCD相機正常過工作條件。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計的測溫系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時測溫，而且測溫精度較高，圖1是保溫儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計的總體框架。

1.1單片機控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)由STC89C52進行集中控制和管理。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。

1.2單總線測溫系統(tǒng)

DS18b20是由美國DALLAS公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理 。

DS18b20獨特的單線接口方式，它與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18b20的雙向通信，并且支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫，在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，測量溫度范圍為-55℃—+125℃，可編程分辨率為9—12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃，在-10℃—+85℃時精度為±0.5℃ 。

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)主要是控制保溫儀的加熱、制冷，以及散熱。通常制冷有風冷、水冷、壓縮機制冷、TEC制冷等幾種方式 。本系統(tǒng)采用TEC加熱/制冷，TEC是利用半導(dǎo)體的熱—電效應(yīng)制取冷量的器件，又稱熱—電制冷片 。利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，當直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實現(xiàn)制冷的目的 。本系統(tǒng)采用TEC1-12706。系統(tǒng)采用了6片制冷片，同時控制六個保溫儀，輸入電壓選用12V，總的制冷功率達到 330W。為了保證TEC加熱制冷功率，會在TEC的一面加上散熱組件（風扇和散熱片）。

驅(qū)動系統(tǒng)電路如圖4（a）所示，由單刀雙擲繼電器、PNP8550、IN4007以及 兩端接的TEC組成，通過三極管 、 的導(dǎo)通和截止來控制繼電器的吸合與斷開，從而使TEC兩端導(dǎo)通，對系統(tǒng)進行加熱或是制冷。繼電器兩端反接的二極管IN4007為消耗二極管，用來消耗反向電動勢。

1.4 LCD顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)采用128×64 的 LCD 顯示器。5V電壓驅(qū)動，帶背光，液晶顯示模塊是 128×64 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標 GB2312碼簡體中文字庫（16×16 點陣）、128 個字符（8×16 點陣）及 64×256 點陣顯示 RAM（GDRAM）。與 CPU 直接接口，提供兩種接口來連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式 。 本系統(tǒng)采用并行鏈接方式。圖5是其和單片機的接口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是保溫儀的重要組成部分，軟件流程圖如圖6所示。

上電以后，單片機首先對其進行初始化設(shè)置，設(shè)置與繼電器連接的個引腳輸出低電平，繼電器斷開，制冷組件停止工作，然后初始化12864，初始化DS18b20溫度傳感器，開始測溫，需要注意的是由于系統(tǒng)是多通道DS18b20同時測溫，所以需要先將DS18b20溫度傳感器的序列號讀取出來，然后在測溫時通過匹配序列號判斷所讀取的是哪個保溫儀的溫度，最后將各保溫儀的溫度與設(shè)定值相比較，如果不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)則調(diào)用溫控子程序。根據(jù)實驗需要，在最開始將系統(tǒng)的溫度值設(shè)定為高溫25℃，低溫20℃，也可以根據(jù)實驗環(huán)境需要，設(shè)定溫度警報值，當某個保溫儀內(nèi)溫度超出警報溫度范圍，則調(diào)用報警程序，并盡快將系統(tǒng)關(guān)閉，以免將其他器件燒毀。

3 應(yīng)用試驗

應(yīng)用在高低溫環(huán)境下對瞄準鏡進行可靠性試驗，，需要CCD相機進行圖像采集，試驗溫度要求在-50℃～60℃。圖9（a）為高低溫箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，將CCD相機及保溫儀系統(tǒng)放到放在高低溫箱內(nèi)部，高低溫箱負責給實驗提供溫度條件。（b）保溫儀實物圖。

℃

高低溫箱溫度 1號保溫箱內(nèi)溫度 2號保溫箱內(nèi)溫度 3號保溫箱內(nèi)溫度 4號保溫箱內(nèi)溫度

-50℃ 19.8℃ 19.6℃ 19.4℃ 19.6℃

-40℃ 19.9℃ 19.7℃ 19.6℃ 19.4℃

0℃ 21.3℃ 22.1℃ 21.4℃ 21.7℃

40℃ 23.2℃ 24.1℃ 23.8℃ 24.0℃

50℃ 24.9℃ 25.1℃ 24.8℃ 25.0℃

保溫儀是為確保在一些極端溫度下實驗可以正常進行，所以系統(tǒng)采用的測溫精度為0.1，由測量結(jié)果可以看出在高溫和低溫情況下保溫儀內(nèi)溫度合理的控制在了CCD相機的工作溫度范圍呢，且四通道恒保溫儀溫度一致性比較好，溫度波動性小與±1℃，滿足了設(shè)計要求。

5結(jié)論

采用DS18b20為溫度傳感器的多通道TEC保溫儀，外圍電路簡單，不易干擾，不僅為高低溫下進行的CCD圖像采集實驗提供了溫度保障，并且也可以應(yīng)用與其他極端溫度下的實驗，為工作溫度范圍較窄的電子器件提供溫度保障，保證了個電子器件在高溫或是低溫下正常工作，不影響實驗結(jié)構(gòu)，并且生產(chǎn)簡單，操作簡單，適合與多種實驗與生產(chǎn)中。

參考文獻

[1]黃誼.基于工業(yè)CCD相機圖像處理和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計[D]碩士學位論文.山西：中北大學.2013

[2]郭天祥.51單片機C語言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社.2009：2-16.342-349.147-167

[3]呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2012（10）：1-3.

[4] 秦海濤，薛晨陽.半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的設(shè)計及誤差分析[J].儀表技術(shù)與傳感器.2007（1）：39-41.

[5]姬志君.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的自動溫控箱的研究與設(shè)計[D].碩士學位論文.河北：河北農(nóng)業(yè)大學.2012