基于半导体制冷片的温度控制系统的设计

　　基于半导体制冷片的温度控制系统的设计井绪忠亓夫军（中国海洋大学山东青岛266100）芯片为核心，以半导体制冷片为制冷元件，以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统3.2制冷器的控制与驱动制冷片的驱动采用的英飞凌公司的智半导体制冷片的驱动电路温度对红外传感器有比较大的影响，当外界环境温度发生变化时，红外传感器对所测量的物理量会有较大的变动，影响其测量值的准确性，产生较大的外界噪声干扰，所以当进行精确测量时，将红外传感器控制在一个恒定的温度下，可以大大提高探测精度，减少误差。
　　1半导体制冷器的工作原理半导体制冷也称热电制冷，是一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，半温度控制系统图DS18B2Q连接电路导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法，利用帕尔贴效应的原理达到制冷目的。
　　帕尔帖效应：当电流丨通过由两种不同材料组合成的闭合回路时，在材料的接头处端会吸收热量Qp，S端会放出热量Qp.这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热，其吸热或放热由电流的方向决定，大小由公式QP =冗/决定。
　　n为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，兀=（aaT，a1、a2为组成回路两种材料的温差电动势率，T为相关接头的温度。作为一种制冷源，半导体冷片可连续工作，不需要制冷剂，没有污染源和机械运动部件，不会产生回转效应，是种固体元件，工作时没有噪音、震动、寿命长，安装容易。半导体制冷片是电流换能型器件，通过控制输入电流，可实现高精度的温度控制。
　　热惯性小，制冷制热时间比较快，在热端散热良好冷端空载的情况下，可迅速达到最大温差。
　　2温度控制系统的组成半导体温度控制系统结构框图如，由制冷片引起的温度变化经温度传感器传送给控制器，与设定的温度进行比较，所得的信号偏差通过PID进行调整处理，由控制器发出命令信号，通过驱动电路驱动半导体制冷片进行制热或者制冷，以达到红外传感器的工作温度环境。
　　3硬件系统设计本控制系统主控单元采用的是ATMEL公司AVR系列的Atmega16单片机。Atmega16是一款基于RISC结构的高性能低功耗的8位微处理器。内部有丰富的硬件资源：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM，32个可编程丨0口，四通道的PWM，8路10位ADC，两个可编程的串行USART，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。本系统所要完成的任务是对温度进行比较，并且对比较结果进行处理，将处理结果控制输出，实现制冷或者很稳的功能，Atmega16内P资源丰富并且功能强大指令效率高，完全符合本系统的要求，并且能够提高系统的可靠性。
　　3.1温度测量电路温度测量部分使用的是美国DALASS公司生产的数字温度传感器，它的体积小，使用方便，单线的接口方式，条线即可实现DS18B2与微处理器的双向通讯。温度测量范围一55°C+125°C，固有测温分辨率0.5°C.在使用中不需要任何外围元件，该DS18B20可提供9至12位可编程设备温度读数。读写数据以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要另接电源。DS18B20科技创新导报能功率芯片BTS7960作为驱动芯片，由两个半桥驱动芯片BTS7960组合成―个H桥驱动。BTS7960是大电流半桥高集成芯片，它带有一个N沟道的低边MOSFET、―个P沟道的高边MOSFET和一个K驱动。P沟道高边开关对电荷泵的需求省去了，因而减小了EMI.集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16mQ，驱动电流可达43A.为半导体制冷片的驱动电路。
　　两片BTS7960构成全桥驱动，mega16的PD6连接芯片的使能控制，当PD6的输出电平为高电平时，对芯片进行使能操作（INH=1）。通过单片机10口PD5PD7提供不同电平值，向控制的半导体制冷片提供不同方向的电流，进行制冷或者制热，以达到不同的控制效果。
　　3.3按键调节与数码管显示设计对系统进行温度调节时，分别设计了按键调节和数码管显示两个模块。需要设定调节温度时，通过按键进行处理。设计了四个按K1、K2、3、4.当不需要进行温度调节时，没有按键按下，数码管显示为当前实际测得的温度值。开始对温度进行调节时，K1按下，数码管显示为温度设定的初始状态值，K2、K3分别为温度设定值得增和减。对温度的设定完成之后，按下K4键，数码管显示返回温度实时显示，同时开始了对温度的比较与调节。
　　4系统软件设计4.1系统工作流程当系统上电启动后，首先进行系统的初始化。单片机上电或者复位后，进入主程序，对丨/0口、定时器、串行口等进行初始化。经过初始化后，系统的各个部分准备就绪，可以进行工作。首先进行温度测量，实时显示温度，然后由按键输入需要设定的温度，温度设定之后，程序启动温度比较，当设定温度大于实时温度时，开始升温调节。当设定温度小于实时温度时，制冷片进行降温处理。
　　系统的温度调节过程分为两阶段，在温度调节的过程中，当温差大于1°C时，调节速度为全速，当温差小于1°C时，开始进入PID调节模式。
　　4.2PID控制的实现由于来自外界的干扰不断产生，要想达到现场控制目标的恒定，控制作用就必须不断进行。如果现场控制值发生变化，检测元件就会把这种变化采集后送至PID控制器的输入端，并且与系统设定的值进行比较得出偏差，调节器按照偏差值以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器，从而使现场控制对象发生改变，趋向于设定值，从而达到控制目的。
　　技术创新PID控制有两种方式，位置式和增量式。本文采用了增量式控制方式。由于计算机基于采样控制理论，计算方法不能采用传统的模拟PID控制算法，必须将控制模型离散化，可以得出下式，位置式控制算法。
　　将温度传感器得到的数值作为输入，与设定值进行比较得出偏差，然后再进行PID运算得出结果进行输出，根据输出结果进行PWM控制输出，控制半导体制冷片的工作状态。
　　5结语本文从硬件构成及软件算法方面介绍了基于AVR的半导体温度控制系统，该系统为红外探测器提供了一个稳定的工作环境，有效的降低了外界环境对探测器的干扰，对探测器的输出提供了保证，减小了实验误差。该系统还可以方便的应用于其他需要进行温度控制的领域。