紅外高發(fā)熱精密探測器中恒溫控制模塊設(shè)計(jì)

黃　棟,李建杰,袁旭軍（.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 00093；.上?？圃措娮涌萍加邢薰?上海 00）

紅外高發(fā)熱精密探測器中恒溫控制模塊設(shè)計(jì)

黃棟1,李建杰1,袁旭軍2
（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093；2.上海科源電子科技有限公司,上海 201101）

為了提高紅外探測器在實(shí)際工作中的性能和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了一種針對高發(fā)熱紅外精密傳感器的自動(dòng)調(diào)節(jié)探測器外圍溫度的裝置。該裝置利用C8051F350單片機(jī)對半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷、制熱和不同功率運(yùn)行的控制,保持探測器外圍溫度的穩(wěn)定。通過PID算法編程,結(jié)合多點(diǎn)測量實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的均勻性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一天的工作時(shí)間內(nèi),該裝置可使探測器外圍的溫度控制在20℃,控制精度為±0.5℃,顯著提高了探測器的性能。

半導(dǎo)體制冷；MCU；PID算法；性能

引 言

高穩(wěn)定性的溫度控制是紅外高發(fā)熱精密探測器模塊的關(guān)鍵技術(shù)之一,提高探測器外圍的溫度穩(wěn)定性有助于提高探測器的性能［1］。紅外探測器在測量時(shí)的性能會(huì)隨著外界溫度變化和自身發(fā)熱產(chǎn)生影響,溫度變化會(huì)影響探測器的輸出噪聲、信號(hào)增益和輸出信號(hào)的信噪比等。因而需要一個(gè)高精度高穩(wěn)定性的恒溫控制裝置來提高探測器外圍溫度的穩(wěn)定性。其設(shè)計(jì)通常包括兩個(gè)方面:一是保溫設(shè)計(jì),通過增大溫控箱外壁的熱阻,減少內(nèi)外的熱交換,減少不必要的損耗；二是通過TEC制冷片進(jìn)行制冷或制熱,維持箱內(nèi)溫度的恒定。本文提出一種基于C8051F350控制芯片,結(jié)合PID控制算法的設(shè)計(jì)［2］,使探測器外圍的控制目標(biāo)溫度為20℃,控制精度為±0.5℃。

1　恒溫箱的工作原理

恒溫箱硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)恒溫箱裝置主要由恒溫箱的核心控制模塊、電源模塊、溫度采集模塊、TEC制冷片及其驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊和通訊模塊組成。

模塊由LM2475M-5提供DC 5 V,然后通過TPS7333QD和LM1117-3.3分別提供DC 3.3 V和AC 3.3 V。溫度采集模塊是用于實(shí)時(shí)檢測溫控箱內(nèi)多個(gè)不同位置的環(huán)境溫度。LCD是用來顯示用戶設(shè)定狀態(tài)信息和箱內(nèi)實(shí)際溫度。根據(jù)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,所得的差值通過PID算法進(jìn)行處理,然后輸出適當(dāng)占空比的PWM波來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷模塊,使半導(dǎo)體制冷或者制熱,以達(dá)到設(shè)定的工作溫度環(huán)境。通過通訊模塊向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前工作狀態(tài)并且接受上位機(jī)的指令。

圖1　硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1　The diagram of the hardware

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

MCU部分電路的工作電壓需要AC 5 V、AC 3.3 V和DC 3.3 V電壓供電。首先通過開關(guān)電源把市電220 V/50 Hz轉(zhuǎn)化為直流電24 V。通過LM2475M 5提供DC 5 V給LCD顯示模塊供電,然后通過TPS7333QD和LM1117 3.3分別提供DC 3.3 V和AC 3.3 V給C8051F350數(shù)字部分和模擬部分供電。另有大功率的直流電源直接為制冷片驅(qū)動(dòng)模塊提供工作電壓。

2.2溫度采集模塊

PT100作為溫度傳感器,具有穩(wěn)定性能高、響應(yīng)快、測量精確度高等諸多優(yōu)點(diǎn),工作范圍—200～650℃。PT100是電阻式溫度傳感器,具有正電阻系數(shù)。設(shè)計(jì)中實(shí)際控溫范圍可以達(dá)到15～55℃［3］。由R16和R17兩個(gè)精密電阻分壓得到AIN.Ref的輸入電壓,AIN.Ref做為差分測量的一端,ADIN1和ADIN2做為差分測量的另一端,惠斯登電橋部分原理圖如圖2所示。由于電壓值比較微弱,直接將信號(hào)送入A/D會(huì)影響測量精度,所以需通過MCU內(nèi)部的PGA放大得到合適的電壓值。在實(shí)際使用中,由于PT100并沒有良好的一致性,同時(shí)隨著PT100等元器件的老化,每個(gè)PT100在同一溫度下測出的電阻是有區(qū)別的。為了改進(jìn)溫度計(jì)算方式,可以使用不同的參數(shù)來保證每個(gè)PT100具有良好一致性。根據(jù)以往對于PT100溫度和電阻關(guān)系研究,在該裝置正常工作的范圍內(nèi),可認(rèn)為溫度和測量電壓成一定的線性關(guān)系。溫度采集是采用惠斯登電橋,因此溫度和A/D采集的電壓成正相關(guān),MCU需記錄兩個(gè)溫度下的采樣電壓值即可標(biāo)定出Ka和Kb的值,得出式中:T為測試溫度；Mea.AD為A/D采集的電壓值。通過測量箱內(nèi)兩側(cè)不同位置的溫度值,可以更好控制箱內(nèi)溫度的均勻性和穩(wěn)定性。

圖2　溫度采集電路部分原理圖Fig.2　The schematic diagram of the temperature acquisition circuit

2.3TEC制冷片及其驅(qū)動(dòng)模塊

TEC制冷片選用的是4片TEC1-12076。驅(qū)動(dòng)模塊采用4片APM3020P、APM2023N和三極管構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片,如圖3所示。

圖3　H橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.3　The H-bridge driving circuit

半導(dǎo)體制冷片又叫做熱電制冷片。半導(dǎo)體制冷是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方式,利用半導(dǎo)體材料的Pettier效應(yīng)［4］,當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,實(shí)現(xiàn)制冷或加熱目的。

本恒溫箱選用TEC1-12076,可以使用在可靠性要求高,無制冷劑污染的場合。值得注意的是,制冷片正在工作時(shí)不得瞬間通反向電壓,必須停止工作5 min后,再通反向電壓。

在TEC驅(qū)動(dòng)電路上的設(shè)計(jì),利用MCU輸出的PWM波,由MCU端口控制三極管S8050的工作情況,從而控制APM3020的開關(guān)情況。APM3020P的最大工作電壓為30 V,最大電流為11 A。 APM2023N的工作情況則完全直接由MCU輸出的PWM波控制。APM2023N的最大工作電壓為20 V,最大電流為12.8 A。TEC1-12076最大工作電壓為15.4 V,最大工作電流為6 A。該恒溫箱采用12 V穩(wěn)壓電壓供電,最大輸出電流為16.8 A。當(dāng)溫控恒溫箱全功率工作時(shí),流經(jīng)MOS管的電流約為8 A,滿足MOS管技術(shù)指標(biāo)。

圖4　恒溫箱控制流程圖Fig.4　The flow chart of control system

3　軟件設(shè)計(jì)和算法

3.1軟件設(shè)計(jì)

基于C8051單片機(jī)的溫控模塊的恒溫箱軟件控制流程圖如圖4所示。

電路部分主要完成以下功能:上電以后根據(jù)EEPROM內(nèi)部數(shù)據(jù)自行控溫,也可以在線設(shè)定目標(biāo)溫度值。單片機(jī)先采集溫度,通過PID控制算法,產(chǎn)生合適占空比的PWM波,控制MOS管的開關(guān)工作情況,從而改變半導(dǎo)體制冷片的供電電壓?？刂瓢迳想妴?dòng)后,進(jìn)行初始化,通過溫度采集模塊采集PT100上的電壓差從而計(jì)算出當(dāng)前溫度值,由數(shù)碼管進(jìn)行顯示,并通過串口通訊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。同時(shí)MCU從EEPROM讀取設(shè)定的溫度值,將此刻溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較,在溫差超過3℃時(shí),為了加快升溫或降溫的速度,使半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行全功率工作。在溫差在3℃以內(nèi)時(shí),進(jìn)行PID調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)PWM的占空比,對半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行加熱或制冷控制。

3.2PID算法實(shí)現(xiàn)以及參數(shù)標(biāo)定

PID是常用的控制器,由于外界環(huán)境的干擾,該恒溫箱需要進(jìn)行閉環(huán)控制,要想達(dá)到設(shè)定目標(biāo),整個(gè)過程的控制和調(diào)節(jié)就必須不斷進(jìn)行。

PID的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式［5］為

式中:KP為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；e為設(shè)定值與反饋值的差值。

在實(shí)際的MCU控制中,需要用到數(shù)字式PID。將PID控制器的傳遞函數(shù)中的微分項(xiàng)和積分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理,就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字式PID。PID控制編程表達(dá)式［6］為

式中:Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

針對傳統(tǒng)的PID經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié),找到合適I和D參數(shù)并非易事。根據(jù)經(jīng)典的Ziegler-Nichols法則,構(gòu)建閉環(huán)控制回路。將調(diào)節(jié)器積分時(shí)間設(shè)定為無窮大,微分時(shí)間設(shè)定為零,比例度取適當(dāng)值,使系統(tǒng)按純比例作用運(yùn)行。穩(wěn)定后,適當(dāng)減小比例度,在外界干擾作用下,尋取系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩臨界狀態(tài),此刻的Kp為臨界比例度,Tc為震蕩波形的臨界周期,然后根據(jù)公式計(jì)算控制器參數(shù)［7］。

4　實(shí)際應(yīng)用以及測試數(shù)據(jù)

在安檢儀設(shè)備中,紅外探測器位于設(shè)備內(nèi)部。儀器內(nèi)部由于各種設(shè)備較為密集,溫度較室外高,并且白天和夜晚溫差較大。探測器性能受溫度影響較大,為了得到穩(wěn)定的性能,采用上述恒溫控制裝置對探測器進(jìn)行溫度控制。在實(shí)驗(yàn)中,通過改變溫控箱內(nèi)溫度得到信號(hào)和噪聲電壓測試數(shù)據(jù),如表1所示, N（人）為人體位于探測器前端時(shí)候的噪聲電壓,S（人）為人體位于探測器前端時(shí)候的輸出直流有效值, S（波）為吸波墻位于探測器前端時(shí)候的輸出直流有效值。實(shí)驗(yàn)對象為人體,人體距探測器為1 m并緊靠吸波墻,調(diào)節(jié)溫控箱內(nèi)溫度后穩(wěn)定30 min再進(jìn)行測量。在實(shí)際測試中,由于探測器輸出電壓值變化較小,我們采用探測器級(jí)聯(lián)放大電路進(jìn)行測試。所需測數(shù)據(jù)為人位于吸波墻時(shí)示波器讀取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和無人時(shí)探測吸波墻的直流有效值Va,則Vs=Vd—Va,得到

式中:Vs為探測人體時(shí)候的探測器輸出的變化值；Vn為探測人體時(shí)探測器輸出的噪聲有效電壓值。

表1　原始電壓值Tab.1　The voltage value

由測試數(shù)據(jù)可見,溫度對信號(hào)的增益、噪聲幅度和輸出信噪比均有較大影響,如圖5、圖6和圖7所示。溫度越低噪聲越小,待測物的信號(hào)越強(qiáng),信噪比越高。圖8所示為溫控箱在一天8 h內(nèi)室溫和箱內(nèi)溫度的變化曲線,溫控箱內(nèi)的設(shè)定控制溫度為20℃。從圖可以看出,本裝置能有效控制箱內(nèi)溫度穩(wěn)定。

圖5　噪聲變化曲線Fig.5　Noise with temperature change

圖6　輸出信號(hào)變化曲線Fig.6　Signal with temperature change

圖7　輸出信噪比變化曲線Fig.7　SNR with temperature change

圖8　溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.8　Temperature with time change

5　總 結(jié)

本文介紹了一種基于以C8051單片機(jī)為核心,結(jié)合多點(diǎn)測溫和多路控制達(dá)到自動(dòng)控溫,并可以根據(jù)兩側(cè)溫度差異自行調(diào)節(jié),從而使箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定。經(jīng)測試可以用于保證探測器外圍溫度的穩(wěn)定,控制誤差在0.5℃以內(nèi)。在實(shí)際的應(yīng)用中,減少了輸出噪聲,提高了探測器的增益和輸出信噪比,有利于整個(gè)恒溫箱的穩(wěn)定工作,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 龔學(xué)藝,蘇曉鋒,黃思婕,等.紅外探測器信息獲取系統(tǒng)噪聲特性［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào),2015,34（1）:80-86.

［2］ Cyanal Integeated Products,Inc.C8051單片機(jī)應(yīng)用解析［M］.潘琢近,孫德龍,夏秀峰,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002: 210-271.

［3］ 張瑜,張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23（3）:311-314.

［4］ 陳振林,孫中泉.半導(dǎo)體制冷器的原理與應(yīng)用［J］.微電子技術(shù),1999,27（5）:63-65.

［5］ 廖紅華.溫度控制系統(tǒng)中雙模糊PID控制器的研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào),2006,20（6）:98-101.

［6］ 吳仕平,陳軍,蔡潔,等.基于模糊PID的半導(dǎo)體激光器工作溫度控制［J］.光學(xué)儀器,2009,31（6）:30-34.

［7］ 白志剛.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定［M］.北京:化工工業(yè)出版社,2012:50-105.

（編輯:張 磊）

Design of temperature control module for infrared high temperature precision detector

HUANGDong1,LI Jianjie1,YUAN Xujun2
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China；2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201101,China）

In order to improve the performance and stability of the infrared detector,we design a temperature contoller to adjust the external temperature of the infrared detector intelligently. This equipment uses C8051F350 MCU to control refrigeration,heating and different power operation of semiconductor chilling plate.The uniformity and stability of environmental temperature of infrared detector is realized by PID algorithm and multi-point measurement. The experimental results show that the peripheral temperature of infrared detector was maintained at 20℃with deviation of 0.5℃during one-day working time,and demonstrate that this equipment could significantly improve the performance of the detector.

semiconductor refrigerating；microcontroller unit（MCU）；PID algorithm；performance

TP 273.5

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.012

1005-5630（2016）02-0154-05

2015-06-12

黃 棟（1989—）,男,碩士,主要從事儀器儀表工程和太赫茲成像研究。E-mail:1521507290@qq.com

李建杰（1981—）,男,博士,主要從事電磁場與微波技術(shù)研究。E-mail:jijianjie—972023@163.com