1、摘要隨著信息時代的到來，傳感器技術得到了快速發展，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術已成為衡量一個國家科學技術發展水平的重要標志之一。隨著人們生活水平的提高，智能化的液體加熱制冷類家電越來越多地出現在人們的日常生活中，這些產品大多采用發熱管或PTC熱敏電阻進行加熱，僅僅具有加熱功能； 而使用半導體制冷片可以具備加熱和制冷雙重功能， 但缺陷是傳統的半導體制冷片的方向控制大多使用繼電器來完成，繼電器屬于機械式開關，當頻繁導通或關斷時不僅會發出噪音，而且還會降低其使用壽命。 因此，有必要探索一種高效、靜噪、安全的半導體制冷片控制方法。本設計將H橋驅動電路引入半導體制冷

2、片進行控制，通過控制H橋的通斷方向來控制半導體制冷片的加熱和制冷，從而實現控溫。關鍵詞： 傳感器；TEC；H橋1、系統方案設計本系統分為MCU，溫度顯示，溫度控制，溫度采集，本系統采用STC12C5A16S2作為核心芯片，使用TEC1-12706半導體制冷片作為核心加熱制冷與案件，采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，通過上位機和單片機通訊，上位機可以顯示實時溫度值，并且可以進行溫度設置，半導體制冷片控制部分采用H橋驅動控制電路進行電壓翻轉，H橋的導通和截止采用三極管開關電路進行控制，從而達到加熱和制冷的自動控制目的。STC12C5A16S2PC機顯示溫度、 溫度控制 H橋設置溫度 RS232

3、 PWM ······· TEC DS18B20 加熱制冷 溫度采集圖1 系統結構1.1微型控制單元MCU采用宏晶STC12系列單片機，其工作電壓為5.5-3.5V，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍，本單片機晶振頻率為22.184MHz，本系統PWM的時鐘源是Fosc，不用Timer，PWM的頻率為Fosc/2，此單片機完全能夠滿足本系統的設計要求。1.2 TEC12706半導體制冷片TEC(Themoelectric cooling modules)即半導體

4、制冷器,它的工作原理是基于珀爾貼效應(J.C.A.Peltier在1834年發現),即當電流以不同方向通過雙金屬片所構成的結時能對與其接觸的物體制冷或加熱。兩個電偶臂分別用P型和N型半導體材料制成,然后上下分別用金屬橋連接,由于電子在金屬中的能量要低于在N型半導體中的能量,故在P型電偶臂和N型電偶臂兩端加上電壓后,電子從金屬流到N型半導體需吸收能量,而從N型半導體流到金屬中需放出能量,這樣a端是電子從金屬流向N型半導體,故為吸熱端,而b端是電子從N型半導體流向金屬故為放熱端;反之,當在電偶臂兩端加上反向電壓時,此時a端則為放熱端,而b端則為吸熱端。由此可知,若將a端與某物體接觸,通過改變回路中

5、電壓極性和電流的大小即可以實現對物體的制冷與加熱。圖2 TEC結構1.3 DS18B20數字溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產的1Wire，即單總線器件，只需要一條口線通信，多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件，可用數據總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無需備用電源，測量溫度范圍為-55 ° C至+125 °C，-10 ° C至+85 °C范圍內精度為±0.5 °C。溫度傳感器可編程的分辨率為912位，溫度轉換為12位數字格式最大值為750毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設置，應用范圍包括

6、恒溫控制，工業系統，消費電子產品溫度計，或任何熱敏感系統。2、 硬件設計2.1硬件功能劃分 TEC制冷片 上位機 執行機構驅動電路STC12單片機 PC機 控制器 通訊 被控檢測電路 對象 檢測機構圖3 硬件功能劃分2.2溫度采集本系統采用單片機P2.6口作為DS18B20的數據輸入端口圖4 DS18B20的外部電源供電方式 在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VCC引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空 ，否

7、則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85。根據DS18B20的通訊協議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，當DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。DS18B20測溫系統具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點。2.3驅動電路 圖5 驅動電路 H橋功率驅動電路可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅

8、動。永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅動。 本系統將H橋驅動電路引入對半導體制冷片進行控制。H橋采用一對IRF9540P型MOSFET管和一對IRF540N型MOS管。根據MOS管導通原理，對于N溝道MOS管，當柵-源之間不加電壓時，漏-源之間只是兩只背向的PN結，不存在導電溝道，因此即使漏-源之間加電壓，也不會有漏極電流。當柵-源電壓大于開啟電壓，漏-源之間形成導電溝道，愈大，導電溝道電阻愈小。當是大于一個確定值時，若在漏-源之間加正向電壓，則將產生一定的漏級電流。與N溝道MOS管相對應，P溝道MO

9、S管的開啟電壓<0,<時，管子才導通，漏-源之間應加負電源電壓。本設計使用NPN三極管進行開關電路可行性：三極管有一個特性，就是有飽和狀態與截止狀態，正是因為有了這兩種狀態，使其應用于開關電路成為可能。必要性：假設我們在設計一個系統電路中，有些電壓、信號等等需要在系統運行過程中進行切斷，但是又不能通過機械式的方式切斷，此時就只能通過軟件方式處理，這就需要有三極管開關電路作為基礎了。 如下圖就是一個最基本的三極管開關電路，NPN的基極需連接一個基極電阻R2、集電極上連接一個負載電阻R1。    首先我們要清楚當三極管的基極沒有電流時候集電極也沒有電流，三

10、極管處于截止狀態，即斷開；當基極有電流時候將會導致集電極流過更大的放大電流，即進入飽和狀態，相當于關閉。當然基極要有一個符合要求的電壓輸入才能確保三極管進入截止區與飽和區。圖6 NPN開關電路本系統設計P1.3為PWM波輸出端口，P1.1為加熱、制冷控制端口，P1.3接開關電路PWM1，P1.1接開關電路PWM2。P1.1為0時，驅動電路為加熱狀態，P1.1為1時，驅動電路為制冷狀態。（1） 當P1.1為0時，三極管開關電路Q6不導通，此時H橋右半邊相當于電源電壓，并且Q2MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q2不導通，Q4MOS管IRF540兩端所加電壓為正，Q4導通。 1）當P1.3輸

11、出為PWM波高電平時，三極管開關電路Q5導通，H橋左半邊相當于接地，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為負，Q1導通，Q3MOS管兩端所加電壓為0，Q3不導通，此時電流方向經過Q1和Q4，從左流至右，半導體制冷片處于加熱狀態； 2）當P1.3輸出為PWM波低電平時，三極管開關電路Q5截止，H橋左半邊相當于電源電壓，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q1不導通，Q3MOS管兩端所加電壓為正，Q3導通，由于沒有對角的一對MOS管導通，所以H橋不導通，半導體制冷片處于不加熱狀態；（2） 當P1.1為1時，三極管開關電路Q6導通，此時H橋右半邊相當于接地，并且Q2MOS管IRF9

12、540兩端所加電壓為負，Q2導通，Q4MOS管IRF540兩端所加電壓為0，Q4不導通。 1）當P1.3輸出為PWM波高電平時，三極管開關電路Q5導通，H橋左半邊相當于接地，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為負，Q1導通，Q3MOS管兩端所加電壓為0，Q3不導通，由于沒有對角的一對MOS管導通，所以H橋不導通，半導體制冷片處于制冷狀態； 2）當P1.3輸出為PWM波低電平時，三極管開關電路Q5截止，H橋左半邊相當于電源電壓，此時Q1MOS管IRF9540兩端所加電壓為0，Q1不導通，Q3MOS管兩端所加電壓為正，Q3導通，此時電流方向經過Q2和Q3，從右流至左，半導體制冷片處于制冷狀

13、態；通過調整PWM波的占空比，可以得到想要得加熱和制冷效果。本設計驅動電路的電源采用外加電源，根據MOS管的導通原理，三極管的電源和H橋的電源需一致。2.4串口通訊MAX232通過內部電壓倍增及電壓反相電路，把TTL電平與RS232電平互換，實現單片機與PC機的串口通信。圖7 串口通訊電路2.5系統原理圖及元件清單圖8 原理圖元件名稱規格型號數量電阻5K210K2P溝道MOSFETIRF95402N溝道MOSFETIRF5402NPN三極管C80502半導體制冷片TEC1-127061溫度傳感器DS18B201散熱片1電源+5、+12V表1 元件清單3、 軟件設計3.1軟件功能模塊軟件設計中一

14、個重要的思想就是采用模塊化設計，把一個大的任務分解成若干個小任務，分別編制實現這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現這個大任務了。這種思路對于可重復使用的子程序顯得尤為優越，因為不僅程序結構清晰，而節約程序存儲空間。根據系統設計要求，軟件設計采用了結構程序模塊化設計。半導體溫度控制儀的軟件系統包括下位機程序和上位機程序兩部分。下位機程序又包括主程序、溫度采集模塊、PWM控制模塊、串口通訊模塊、等幾個模塊。上位機程序主要是通過串口口實現對系統溫度的控制，并且可以接收下位機的數據并實時顯示溫度曲線。人機界面核心算法PWM模塊中斷被控對象溫度采集模塊圖9 軟件功能劃分 開機

15、3.2主程序流程 PWM控制 用戶設置溫度 初始化 繪制溫度曲線 采集溫度 顯示初始溫度 保持恒溫達到設置溫度圖10 主程序流程3.2溫度采集模塊 溫度采集模塊是利用DS18B20和單片機進行串行總線通信的方式實現的。DS18B20是數字傳感器，因此不需要A/D轉換，省去許多硬件電路。但是由于硬件的減少，DS18B20對軟件要求就提高不少。它有著嚴格的時序要求，否則傳感器將不工作。讀取溫度流程如下： 開始數據端置位復位DS18B20否DS18B20是否存在是寫跳過ROM匹配命令0xCCH寫溫度轉換命令0x44H否延時750us ?是復位DS18B20寫跳過ROM匹配命令0CCH寫讀溫度字節命令

16、0BEH讀溫度讀溫度值返回圖11 溫度采集流程3.3 PWM控制模塊 本設計PWM輸出采用STC12C5A16S2自帶PWM產生模塊，設置為8位無中斷PWM輸出，產生PWM經P1.3端口輸出截止驅動電路的PWM1端。PWM控制流程如下： 開始 計算所需占空比 PCA時鐘設定 啟動PCA時鐘 返回圖12 PWM控制流程3.4核心控制算法本設計采用bang-bang控制，這種控制方式在某些方面具有比常規PID控制較為優越的性能，尤其是對于給定值的提降及大幅度的擾動作用，效果更顯著。在動態質量上不僅體現為過渡時間短這一特點，而且在超調量等其他指標上也具有一定的改善。本文設計將設定溫度劃分若干小區間，

17、對于不同的設定溫度區間，MCU控制單元輸出不同占空比的PWM波。當設定溫度確定在某溫度區間后，初始的PWM波占空比也隨之確定，當溫差大于3°C時，系統采用初始的占空比來控制半導體制冷片；當溫差小于3°C大于0.5°C時，MCU單元減少占空比，系統采用此時的占空比來控制半導體制冷片，此時對半導體制冷片的控制作用減弱；當溫差小于0.5°C時，此時MCU輸出的PWM波占空比為0，停止對半導體制冷片的控制，但此時因為慣性，溫度還會小幅度上升，正好達到設定的目標溫度；由于MCU停止對半導體制冷片的控制，此時制冷片溫度會回落，當回落至溫差大于0.5°C時，

18、系統又用小占空比PWM波對制冷片控制，溫差小于0.5°C時，再次停止控制；此后，系統溫度就以小震蕩穩定在設置的目標溫度。 開始根據設置溫度，確定初始占空比MCU輸出PWM，進行控溫Y溫差小于3°C 減少占空比NMCU輸出小占空比PWM，進行控溫溫差小于0.5°C 減少占空比NYMCU停止控制Y循環檢測溫差大于0.5°CN 結束圖13 核心控制流程4、 調試4.1人機界面機界面部分采用VB6.0編寫。使用VB 6.0的串口控件進行PC與單片機的串行通信。人機界面可顯示當前溫度、設定溫度以及設定溫度和當前溫度的曲線等。實時溫度和設定溫度曲線手動輸入需要設置的溫度值按下按鈕，設定新的溫度值設定值與實時值得偏差采樣值實時顯示圖14 人機界面4.2測試 整個測試過程就是隨機選取若干個測試設定值，觀察在