专利名称：一种基于单片机的多tec调温控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种TEC的双向调温控制系统，尤其涉及一种基于单片机的多 TEC调温控制系统。
背景技术：
热电制冷器(Thermoelectric Coolers) TEC' S也称半导体制冷器，是一种新型的带制热和制冷功能的器件，常应用于空间有限和高可靠性的场合。热电制冷器的功能实现取决于供电电流的方向，改变电流方向，则制热和制冷面反转，调节电流量的大小，即可调节制冷量的输出。热电制冷器实际工作时，热端温度由环境温度和热端散热量决定，制冷量由冷负荷和制冷温度决定。当热端温度和制冷量一定时，工作电压和冷端电压相对应。调整电偶的工作电压，可使热电制冷器在不同的热端温度下保持冷端温度恒定。热电制冷器具有结构简单，无磨损、可靠性好、寿命长、启动快、控制灵活，精度高的特点。随着现代航天技术的发展，航天领域很多空间设备需要温控系统，常见的被动热控不足以满足局部部件最佳工作状态对温度的要求，特别是CCD等光电探测器的工作温度直接影响到获得数据的精度，探测器随着温度的变化，读出噪声会有不同程度变化，要想获得高质量的图像数据，给探测器提供稳定的温度工作环境是必要的手段之一。因此，高精度的温度控制系统特别显得十分重要。在实际系统中，探测器所处的环境比较复杂，包括与探测器相连的安装部件，环境温度、探测器自身的发热情况等都是导致探测器工作温度不能恒定在最佳工作点的因素， 单片TEC制冷量和制冷面积有限，往往难以满足温度恒定的精度要求，影响了探测器最佳性能发挥，另外，在某些特殊情况下，还需要对被控物进行反向温控，如某个进行阶段制热， 以期望实现某种控制目标。
实用新型内容为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种具有控制灵活、可靠性强、精度高以及速度快等优点的基于单片机的多TEC调温控制系统。本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种基于单片机的多TEC调温控制系统，其特殊之处在于所述基于单片机的多TEC调温控制系统包括用于接收温控的外部指令，并将采集到的测温数据进行计算得出各个温控目标的控制电压数字量的单片机、用于对温控对象进行调温控制的驱动模块以及用于对被控对象进行测温的测温模块； 所述测温模块通过单片机与驱动模块相关联。上述驱动模块包括D/A转换器、第一运算放大器、PMW发生器以及驱动电路；所述 D/A转换器通过第一运算放大器接入PMW发生器；所述PMW发生器接入驱动电路；所述单片机接入D/A转换器。上述驱动电路是单向驱动电路或双向驱动电路。上述D/A转换器是AD664的12位D/A转换器。[0010]上述测温模块包括恒流源、温度传感器、第二运算放大器、模拟选择开关以及A/D 转换器；所述恒流源、温度传感器、第二运算放大器、模拟选择开关以及A/D转换器依次连接；所述A/D转换器接入单片机。上述温度传感器是热敏电阻，所述热敏电阻是一个或多个。上述A/D转换器是AD674的12位A/D转换器。上述基于单片机的多TEC调温控制系统还包括用于接收控制指令并回传采集到的温度值的通讯模块；所述通讯模块与单片机连接。上述单片机的型号是80C32。本实用新型的优点是1、控制灵活。本实用新型所提供的基于单片机的多TEC调温控制系统是对被控对象本身及其邻近环境都加以温度控制，在邻近位置进行单向的温度控制的同时对被控对象进行温控。此外，一些特殊的探测器在长时间工作后需要定期加热到一定温度进行热像元的消除，因此，对该类探测器进行双向温控也是必要的功能之一。本实用新型在主要工况即需要制冷的情况下，控制相对稳定的邻近环境温度的同时再对被控对象进行温控。特殊情况下，当需要制热时，单独对被控对象进行制热控制，为了解决该问题，本实用新型还特殊的采用桥式电路与多个但单组MOSFET管构成组合电流控制单元，单片机对采集到的多点测温值和温度目标值PID计算后输出12位数字信号经D/A转换成多点被控对象的模拟控制电压值，需双向温控的电压值经过PWM发生器产生四路可调制的PWM信号，分别输入到由分立器件组成的H桥电路的四个输入端，实现对被控对象电流大小和方向的控制，达到双向、调温的目的，需单向温度控制的，经过PWM发生器产生多路可调制的PWM信号，输入到多个单组MOSFET管构组成的控制单元，实现邻近位置的温控，为在空间有限，需要高精度温度控制场合提供可靠的温度保障。具备对被控对象进行双向温控，并辅助以单向温控的功能，其控制方式灵活多样。2、可靠性强。本实用新型所提供的基于单片机的多TEC调温控制系统可同时控制多个TEC，保证了温度的稳定性。本实用新型对冷、热端温度与工作电压进行综合考量，使制冷器在最小功耗的情况下达到最佳的制冷效果，可实时监控、体积小，控制可靠，精度高。
图1是本实用新型所提供系统的框架示意图；图2是本实用新型所提供系统的较佳结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的基于单片机的多TEC双向温控系统，是由单片机1，测温模块2，驱动模块3、通讯模块4，四部分组成，这四个模块集成在一块电路板上，测温模块2通过单片机1接入驱动模块3，通讯模块4与单片机1相连，各模块间通过PCB的板上连线连接。单片机1是以80C32为控制核心，一方面用于接收温控的外部指令，一方面将采集到的测温的数据进行计算，得出各个温控目标的控制电压的数字量。同时通过通讯接口输出温控目标和当前被控对象的温度显示数字量。[0022]驱动模块3包括D/A转换器31，采用AD664作为12位D/A转换芯片，第一运算放大器，PWM发生器32以及驱动电路33，D/A转换器31、第一运算放大器，PWM发生器32以及驱动电路33依次连接；驱动电路33是单向驱动电路和双向驱动组合电路。D/A转换器采用AD664，12位D/A转换器件，用于将单片机计算的数字电压值转换成电压值。转换后的电压值经过滤波、放大，送至PWM发生器32，PWM发生器32根据电压值分别输出调制后的PWM脉冲。对于单向驱动电路，单向驱动电路可以是常用的各种单向驱动，本实用新型由多组运算放大器和MOSFET管2N72M为核心器件，通过不同占空比的PWM脉冲的控制，实现对多个温控对象提控单向调温控制。对于双向驱动电路，也就是经典的H桥电路，其由4个MOSFET管为核心器件，通过对4路不同占空比的PWM脉冲的控制，实现对主控对象的温度双向和调温的控制。测温模块2包括恒流源22，多个温度传感器6，第二运算放大器，模拟选择开关23， A/D转换器21组成，恒流源22、温度传感器6、第二运算放大器、模拟选择开关23以及A/D 转换器21依次连接；A/D转换器21接入单片机1。温度传感器6是热敏电阻，可以是一个或多个。恒流源22由运算放大器0P470和MOSFETIRFMON管来实现组成，为热敏电阻提供恒定的电流。在本实用新型中温度传感器6采用多个热敏电阻，其中两个分别置于被控对象的两侧，其余的紧置于主控对象的四角，热敏电阻的功能是将被控对象的温度值及被控对象周边的温度值转化成电压值。经过第二运算放大器后的多路电压值输入模拟选择开关23后，单片机1给出路选择信号，按选择输出采集的电压。A/D转换器21，采用AD674作为12位A/D转换芯片，将模拟选择开关23输出的电压值进行12位的A/D转换。 对外接口有三个，通讯模块4接收外来计算机的控制指令，包块是否温控，温控参数，同时输出测量到的温度值。测温模块2接收外来温度传感器的温度转换成电压的测量值，同时提供用于温度转换的恒流源。驱动模块3对控制对象输出控制电压，实现温度控制。利用上述的温控系统，可以实时读回被控目标及邻近环境的温度，且可对温控目标温度进行调控，从而实现了一种高精度的、可监控的多TEC温控系统。 本实用新型所提供系统的控制原理是控温目标的温度以及邻近温控目标的温度变化经多个热敏电阻传感器转化成电阻的变化，通过恒流源提供的电流将电阻的变化进一步转化成电压的变化，经过滤波、去噪和高精度的放大，多路模拟选择开关选择，逐一进行 12位的A/D转换，读入单片机。单片机根据各点量温度和目标温度，采用PID的控制算法， 分别输出12位的数字控制量，经过D/A转换，将控制量转化成模拟电压值。对于被控目标邻近温度采用单向温控方法，将对应的D/A转换电压值经运算放大器后，经过PWM发生器， 通过调制PWM的占空比，将PWM信号送至MOSFET管，实现对TEC的单向温度控制。在本系统中，通过以上方法被控对象邻近环境进行多点TEC控制，使被控目标的环境温度向目标温度调整。而被控目标通过PWM调制后的信号，打通H桥电路一个方向的桥臂，实现被控目标一个方向的温控。另外，在某些特殊工况下被控目标不仅需要单向的制冷控制，还需要进行加热控制，由于双向温控设计的是H桥电路，PID计算后单片机输出12位数字信号经D/ A转换成被控对象的模拟控制电压值，经过PWM发生器产生四路可调制的PWM信号，分别输入到由分立器件组成的H桥电路的四个输入端，打通H桥电路另一个方向的桥臂，关断制冷方向的桥臂，改变了电流的方向，实现对被控对象电流大小和方向的控制，达到双向、调温的目的。如图2所示，系统开始工作时，首先单片机1根据通讯指令读入温控系统工作状态，如需要温控，则进入温控状态，否则温控停止，等待命令。当系统进入温控状态时，根据通讯指令判断温控方式人工干预方式或自动调节方式。人工干预方式是根据对读入的通讯指令进行解码，解析出控制目标温度；自动调节方式的目标温度是存储在单片机存储器内，目标温度为一固定值。无论何种控制方式，调温的过程是一致的，温控过程如下被控目标及邻近环境通过测温模块2，恒流源22提供恒流电源，电流流过热敏电阻，附着在被控对象的热敏电阻两端的电压值即反映了被控对象的温度值。经去噪、放大后的电压值经A/D转换21转换成12位的数字量。由于本控制系统是多TEC控制系统，因此也对多点进行测温，即由多个测温电阻测得多个电压值，所以本系统中通过模拟选择开关23进行多路选择，将测得的电压值逐一选择输入到单片机1。单片机1写入12位的温度数字量，根据目标温度，进行PID计算，计算出控制方向及控制量的数字量输入到驱动模块3。控制电压数字量经D/A转化电路31，转化出的模拟电压值，再经运算放大器至PWM发生器32，PWM发生器根据单片机1输出的控制电压，对 PWM脉冲的占空比进行调制，占空比越大，流过TEC的电流越大，反之则越小。驱动电路33 包括四组单向驱动电路，和一个双向驱动电路。单向驱动电路由运算放大器和M0SFETT管 2N7224组成，提供给TEC的电流与PWM的占空比成正比。双向驱动电路由4个M0SFETT管， 分别是2个P沟道M0SFETT管，2个N沟道M0SFETT管组成。P丽发生器32输出正负电压、 占空比可调的PWM脉冲，实现一个电流方向的导通，另一个方向的截止，且电流可调；同理， 另一个方向导通，一个方向截止，电流可调，实现双向温控。
权利要求1.一种基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述基于单片机的多TEC调温控制系统包括用于接收温控的外部指令并将采集到的测温的数据进行计算得出各个温控目标的控制电压的数字量的单片机、用于对温控对象进行调温控制的驱动模块以及用于对被控对象进行测温的测温模块；所述测温模块通过单片机接入驱动模块。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述驱动模块包括D/A转换器、第一运算放大器、PMW发生器以及驱动电路；所述D/A转换器通过第一运算放大器接入PMW发生器；所述PMW发生器接入驱动电路；所述单片机接入D/A转换ο
3.根据权利要求2所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述驱动电路是单向驱动电路或双向驱动电路。
4.根据权利要求3所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述D/A转换器是AD664的12位D/A转换器。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述测温模块包括恒流源、温度传感器、第二运算放大器、模拟选择开关以及A/D转换器；所述恒流源、温度传感器、第二运算放大器、模拟选择开关以及A/D转换器依次连接；所述A/D转换器接入单片机。
6.根据权利要求5所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述温度传感器是热敏电阻，所述热敏电阻是一个或多个。
7.根据权利要求6所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述A/D转换器是AD674的12位A/D转换器。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述基于单片机的多TEC调温控制系统还包括用于接收控制指令并回传采集到的温度值的通讯模块；所述通讯模块与单片机连接。
9.根据权利要求1所述的基于单片机的多TEC调温控制系统，其特征在于所述单片机的型号是80C32。
专利摘要本实用新型涉及一种基于单片机的多TEC调温控制系统，该系统包括用于接收温控的外部指令，并将采集到的测温数据进行计算得出各个温控目标的控制电压数字量的单片机、用于对温控对象进行调温控制的驱动模块以及用于对被控对象进行测温的测温模块；测温模块通过单片机与驱动模块相关联。本实用新型提供了一种具有控制灵活、可靠性强、精度高以及速度快等优点的基于单片机的多TEC调温控制系统。
文档编号F25B49/00GK202024548SQ20112009038
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者乔卫东, 宋宗玺, 杜云飞, 杨文刚, 樊学武, 段永强, 胡炳樑, 高伟 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所