基于熱電致冷器的核磁共振智能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃月明

摘要：本文介紹了一種以熱電致冷器為制冷單元，采用單片機(jī)進(jìn)行溫度PID調(diào)控的空調(diào)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：熱電偶致冷器；PID溫控；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0181-01

工業(yè)在線核磁共振分析儀在化工領(lǐng)域的物質(zhì)組分分析中發(fā)揮越來越大的作用，儀器的關(guān)鍵部件永磁體對溫度較為敏感，采用空調(diào)對儀器的環(huán)境進(jìn)行溫控必不可少，核磁共振運(yùn)行環(huán)境較為苛刻，傳統(tǒng)空調(diào)并不能滿足應(yīng)用要求，新型制冷方式熱電偶制冷成了最佳選擇。

本文提出一種基于熱電致冷器的核磁共振空調(diào)設(shè)計(jì)，具有使用壽命長、無噪聲、響應(yīng)時間短、無機(jī)械運(yùn)動、安全環(huán)保等特點(diǎn)，經(jīng)過溫控實(shí)驗(yàn)可以用做工業(yè)在線核磁共振的空調(diào)系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)及原理

核磁共振空調(diào)系統(tǒng)以微控制器C8051f021為控制核心，熱電致冷片為制冷單元，運(yùn)用PID進(jìn)行溫度控制，可設(shè)定目標(biāo)值、比例系數(shù)、積分常數(shù)以及微分常數(shù)，溫度控制較為穩(wěn)定可以為核磁共振永磁體提供一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件以及相關(guān)電路設(shè)計(jì)

2.1 熱電致冷器TEC1-12706

熱電致冷器工作功率由供電電壓控制，通過改變供電電壓的方式可以改變致冷器功率。本設(shè)計(jì)中采用TEC1-12706致冷器，其內(nèi)部有127對熱電偶，流通最大電流為6A，最大電壓15.24V，單片最大制冷功率為52.4w。運(yùn)用32片致冷器使磁體工作環(huán)境維持在25攝氏度（±0.1攝氏度），可調(diào)節(jié)設(shè)定溫度根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行不同的溫度設(shè)定。

致冷器安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

安裝注意事項(xiàng)：（1）致冷器表面導(dǎo)熱硅脂厚度適宜。（2）螺絲緊固要均勻力度適中。（3）硅膠必有，密封防潮。（4）電源用0-48V可調(diào)開關(guān)電源，紋波系數(shù)小于10%。（5）只用于制冷加熱需要等待致冷器冷卻至常溫。（6）致冷器4片串聯(lián)一起分為一組。

2.2 溫度控制處理器C8051F021

本設(shè)計(jì)采用新華龍公司微控制器C8051F021芯片為溫度控制核心，采用傳統(tǒng)PID控制方法，輸出PWM信號，運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部8位ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用485通訊與上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，同時磁體倉內(nèi)溫度顯示在數(shù)碼管上。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境改變設(shè)定溫度，使磁體工作在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境內(nèi)。

2.3 溫度傳感器PT1000

溫度傳感器采用較為傳統(tǒng)的PT1000，PT1000是鉑熱電阻，他的阻值會隨溫度變化而變化，當(dāng)PT1000在0℃時阻值為1000歐姆。利用傳統(tǒng)電橋電路將電阻信號轉(zhuǎn)為電壓信號經(jīng)過放大后連接單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換I/O口進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

PT100在0-850℃時電阻與溫度關(guān)系如下：

R（t）=R0*（1+A*t+B*t*t）

R（t）是溫度t時電阻值。R0是溫度為0時電阻值。t為溫度。A、B為分度常數(shù)。

根據(jù)以上關(guān)系以及轉(zhuǎn)換后的電壓信號可得出測量溫度進(jìn)行顯示以及后續(xù)對比處理。

2.4 致冷器供電電源

致冷器功率較高，線性電源做相應(yīng)功率會有較大的體積所以選用開關(guān)電源作為供電系統(tǒng)。采用明緯公司3000w 0-48V可調(diào)開關(guān)電源供電，控制電壓為0-5V。電源供電220V交流，電源紋波系數(shù)8%，運(yùn)用示波器測試電源基本滿足使用條件，可以作為該設(shè)計(jì)的供電電源。

2.5 系統(tǒng)框圖

制冷單元以及溫度控制系統(tǒng)框圖（圖2）解釋如下：傳感器PT1000采集核磁共振箱體內(nèi)部溫度，采集的溫度與設(shè)定溫度對比決定輸出PWM信號占空比，PWM信號經(jīng)過二階積分電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號經(jīng)過運(yùn)算放大器放大至所需0-5v信號，輸出電壓信號控制可變電壓源輸出電壓，輸出電壓的變化決定致冷器工作功率對箱體內(nèi)部進(jìn)行溫度控制，形成閉環(huán)的PID溫度控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

核磁共振空調(diào)系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)溫度初始化程序、LED驅(qū)動芯片TM1640程序、PID控制方法程序、485通訊程序以及ADC轉(zhuǎn)換等程序等模塊。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)在核磁共振防爆柜內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，采用手持式紅外測溫儀進(jìn)行溫度測量并進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，箱體內(nèi)部模擬電子元器件發(fā)熱及磁體加熱電阻絲，測試數(shù)據(jù)如表1。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，其中溫度現(xiàn)實(shí)值、溫度控制精度等指標(biāo)一般能滿足核磁共振分析儀永磁體工作溫度環(huán)境，可以用于核磁共振最外層空調(diào)使用。

5 結(jié)語

本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了設(shè)計(jì)方法以及原理，該空調(diào)系統(tǒng)能夠配套核磁共振波普儀為永磁體提供較為穩(wěn)定的溫度環(huán)境，各個指標(biāo)均滿足要求，可作為前期實(shí)驗(yàn)以及后期成型產(chǎn)品的空調(diào)使用。endprint