基于單片機的精密溫控系統設計

0 引言
輻亮度標準探測器[1~3]是基于探測器的輻射定標中的關鍵組成部分，其光學核心部件濾光片輻射計的響應度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標準探測器的精度和穩定性，本文設計了一種基于單片機精密溫度控制系統[5]。該系統具有精度高、體積小、穩定性好的特點，應用前景廣闊。

1 系統硬件設計
本文所設計的精密溫控系統主要由數字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機、12位DA轉換器AD7248A[8]、半導體制冷器TEC、大電流驅動OPA548[9]、鍵盤、VFD顯示屏和RS－232串口通訊電路組成，其原理框圖如圖1所示。

單片機根據DS18B20測得被控對象濾光片輻射計的溫度，與設定置相比較，經過PID[10]控制算法調整DA的輸出電壓，進而控制半導體致冷器TEC進行制冷或加熱實現被控對象的恒溫，同時由顯示屏實時顯示當前溫度。各主要模塊簡介如下：
1.1 數字式溫度傳感器DS18B20
DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的新一代數字式溫度傳感器，采用TO－92封裝。它具有獨特的單總線接口方式，將地址線、數據線、控制線復用為一根信號線，輸入輸出均為數字信號。這使得其與單片機接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的AD轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，由它組成的溫度測控系統非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。
DS18B20主要性能指標：（1）測溫范圍：-55～125℃，測量最高分辨率為0.0625℃，這是本系統實現控制精度要求的關鍵；（2）無需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數字量；（3）溫度轉換最大時間為750ms；（4）用戶可以設定報警溫度，存儲于EEPROM中。
1.2 12位數模轉換芯片AD7248A
本系統所選用的數模轉換器 DAC是美國 Analog Devices 公司的生產的AD7248A。這是一種帶有片載內置輸出放大器和基準電壓源的 12 位低功耗并行 DA轉換器，其數據輸出建立時間只需 30ns, 12 位數據以高 8 位和低 4 位分兩次寫入輸入鎖存器。在雙極性供電模式下，能產生±5V 的輸出電壓。考慮到溫控模塊中的半導體致冷器件工作時需要雙極性電壓的特點，這里選擇雙極性供電工作模式。
1.3 大電流驅動OPA548
由圖 1 溫控系統框圖可以看到，12 位 DA芯片輸出的電壓信號要送往半導體致冷器，通過控制流過致冷器的電流大小進而控制濾光片的溫度高低。但從AD7248A 輸出的電壓信號，其電流驅動能力不夠強，因此需要加入電流驅動電路。設計中我們選用Burr-Brown 公司的大電流驅動集成芯片 OPA548，它可以提供峰值達5A連續3A的驅動電流。本系統采用雙極性供電模式，以配合DA轉換器的雙極性輸出，驅動半導體致冷器TEC實現加熱或制冷。
1.4 半導體致冷器TEC
基于Peltier效應的熱電致冷器是由多對熱電致冷對在電氣上串聯、在熱傳導上并聯組成，如圖2所示。熱電對由鉍碲化合物摻雜形成的 P 型和 N 型半導體構成，它們與銅片相接，銅片則與電氣上絕緣而導熱良好的瓷板相連接。單個這樣的器件兩端的溫差最高可達 70℃，串聯（多層）使用可提高溫差，并聯使用則可增加泵熱能力。