紅外高發熱精密探測器中恒溫控制模塊設計

黃　棟,李建杰,袁旭軍（.上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 00093；.上海科源電子科技有限公司,上海 00）

紅外高發熱精密探測器中恒溫控制模塊設計

黃棟1,李建杰1,袁旭軍2
（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院,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際工作中的性能和穩定性,設計了一種針對高發熱紅外精密傳感器的自動調節探測器外圍溫度的裝置。該裝置利用C8051F350單片機對半導體制冷片進行制冷、制熱和不同功率運行的控制,保持探測器外圍溫度的穩定。通過PID算法編程,結合多點測量實現環境溫度的均勻性和穩定性。實驗結果表明,在一天的工作時間內,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。

半導體制冷；MCU；PID算法；性能

引 言

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

1　恒溫箱的工作原理

恒溫箱硬件設計框圖如圖1所示。整個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制冷片及其驅動模塊、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時檢測溫控箱內多個不同位置的環境溫度。LCD是用來顯示用戶設定狀態信息和箱內實際溫度。根據實際溫度和設定溫度值進行比較,所得的差值通過PID算法進行處理,然后輸出適當占空比的PWM波來驅動半導體制冷模塊,使半導體制冷或者制熱,以達到設定的工作溫度環境。通過通訊模塊向上位機發送當前工作狀態并且接受上位機的指令。

圖1　硬件設計框圖Fig.1　The diagram of the hardware

2　硬件電路設計

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。首先通過開關電源把市電220 V/50 Hz轉化為直流電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動模塊提供工作電壓。

2.2溫度采集模塊

PT100作為溫度傳感器,具有穩定性能高、響應快、測量精確度高等諸多優點,工作范圍—200～650℃。PT100是電阻式溫度傳感器,具有正電阻系數。設計中實際控溫范圍可以達到15～55℃［3］。由R16和R17兩個精密電阻分壓得到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,直接將信號送入A/D會影響測量精度,所以需通過MCU內部的PGA放大得到合適的電壓值。在實際使用中,由于PT100并沒有良好的一致性,同時隨著PT100等元器件的老化,每個PT100在同一溫度下測出的電阻是有區別的。為了改進溫度計算方式,可以使用不同的參數來保證每個PT100具有良好一致性。根據以往對于PT100溫度和電阻關系研究,在該裝置正常工作的范圍內,可認為溫度和測量電壓成一定的線性關系。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,MCU需記錄兩個溫度下的采樣電壓值即可標定出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。通過測量箱內兩側不同位置的溫度值,可以更好控制箱內溫度的均勻性和穩定性。

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制冷片及其驅動模塊

TEC制冷片選用的是4片TEC1-12076。驅動模塊采用4片APM3020P、APM2023N和三極管構成的H橋驅動電路驅動半導體制冷片,如圖3所示。

圖3　H橋驅動電路Fig.3　The H-bridge driving circuit

半導體制冷片又叫做熱電制冷片。半導體制冷是以溫差電現象為基礎的制冷方式,利用半導體材料的Pettier效應［4］,當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,實現制冷或加熱目的。

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驅動電路上的設計,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穩壓電壓供電,最大輸出電流為16.8 A。當溫控恒溫箱全功率工作時,流經MOS管的電流約為8 A,滿足MOS管技術指標。

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

3　軟件設計和算法

3.1軟件設計

基于C8051單片機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EEPROM內部數據自行控溫,也可以在線設定目標溫度值。單片機先采集溫度,通過PID控制算法,產生合適占空比的PWM波,控制MOS管的開關工作情況,從而改變半導體制冷片的供電電壓。控制板上電啟動后,進行初始化,通過溫度采集模塊采集PT100上的電壓差從而計算出當前溫度值,由數碼管進行顯示,并通過串口通訊把數據傳輸到上位機。同時MCU從EEPROM讀取設定的溫度值,將此刻溫度值與設定的溫度值進行比較,在溫差超過3℃時,為了加快升溫或降溫的速度,使半導體制冷片進行全功率工作。在溫差在3℃以內時,進行PID調節,調節PWM的占空比,對半導體制冷片進行加熱或制冷控制。

3.2PID算法實現以及參數標定

PID是常用的控制器,由于外界環境的干擾,該恒溫箱需要進行閉環控制,要想達到設定目標,整個過程的控制和調節就必須不斷進行。

PID的數學模型表達式［5］為

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

在實際的MCU控制中,需要用到數字式PID。將PID控制器的傳遞函數中的微分項和積分項進行離散化處理,就可以實現數字式PID。PID控制編程表達式［6］為

式中:Kp為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分系數。

針對傳統的PID經驗調節,找到合適I和D參數并非易事。根據經典的Ziegler-Nichols法則,構建閉環控制回路。將調節器積分時間設定為無窮大,微分時間設定為零,比例度取適當值,使系統按純比例作用運行。穩定后,適當減小比例度,在外界干擾作用下,尋取系統出現等幅震蕩臨界狀態,此刻的Kp為臨界比例度,Tc為震蕩波形的臨界周期,然后根據公式計算控制器參數［7］。

4　實際應用以及測試數據

在安檢儀設備中,紅外探測器位于設備內部。儀器內部由于各種設備較為密集,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,為了得到穩定的性能,采用上述恒溫控制裝置對探測器進行溫度控制。在實驗中,通過改變溫控箱內溫度得到信號和噪聲電壓測試數據,如表1所示, N（人）為人體位于探測器前端時候的噪聲電壓,S（人）為人體位于探測器前端時候的輸出直流有效值, S（波）為吸波墻位于探測器前端時候的輸出直流有效值。實驗對象為人體,人體距探測器為1 m并緊靠吸波墻,調節溫控箱內溫度后穩定30 min再進行測量。在實際測試中,由于探測器輸出電壓值變化較小,我們采用探測器級聯放大電路進行測試。所需測數據為人位于吸波墻時示波器讀取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和無人時探測吸波墻的直流有效值Va,則Vs=Vd—Va,得到

式中:Vs為探測人體時候的探測器輸出的變化值；Vn為探測人體時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

由測試數據可見,溫度對信號的增益、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,待測物的信號越強,信噪比越高。圖8所示為溫控箱在一天8 h內室溫和箱內溫度的變化曲線,溫控箱內的設定控制溫度為20℃。從圖可以看出,本裝置能有效控制箱內溫度穩定。

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

圖6　輸出信號變化曲線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　溫度隨時間的變化曲線Fig.8　Temperature with time change

5　總 結

本文介紹了一種基于以C8051單片機為核心,結合多點測溫和多路控制達到自動控溫,并可以根據兩側溫度差異自行調節,從而使箱內的溫度穩定。經測試可以用于保證探測器外圍溫度的穩定,控制誤差在0.5℃以內。在實際的應用中,減少了輸出噪聲,提高了探測器的增益和輸出信噪比,有利于整個恒溫箱的穩定工作,具有一定的實用價值。

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

［2］ Cyanal Integeated Products,Inc.C8051單片機應用解析［M］.潘琢近,孫德龍,夏秀峰,譯.北京:北京航空航天大學出版社,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設計［J］.傳感技術學報,2010,23（3）:311-314.

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

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

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

［7］ 白志剛.自動調節系統解析與PID整定［M］.北京:化工工業出版社,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研究。E-mail:jijianjie—972023@163.com