微小型精密环境温度控制系统的设计

杨树亮林行辛张剑辉（河北理工大学计算机与自动控制学院，唐山063009）摘要针对于微小型精密环境温度控制的必要性设计了一个温箱模型以及一套全数字化温度控制系统，该系统主要由数字式温度传感器和半导体制冷器等组成，并充分利用了I2C总线的优势，清楚地反映出不同位置的温度值，控制算法采用传统的PID算法。关键词温箱温度控制PID算法AbstractAthermostaticchambermodelandtotaldigitaltemperaturecontrolsystemaredesignedbythenecessityoftemperaturecontrolintheprecisemini-environment.Consistingofdigitaltemperaturesensors,semiconductorcoolers,etc.,thissystemadoptsI2CBustoimplementtemperaturecontrolintheprecisemini-environment.ThecontrolalgorithmisatraditionalPIDalgorithm.KeywordsThermostaticchamberTemperaturecontrolPIDalgorithm.0引言温度控制在冶金、化工、机械制造、食品加工等行业一直处于非常重要的地位。随着各种电子元件特别是集成半导体器件的发展，温度控制又有了新的发展前景。半导体芯片的输入输出关系严重受到其工作温度的影响，特别是当把许多半导体芯片按照某种电路图组合起来时，整体受到温度的影响就更加突出了。所以，提高对半导体芯片工作环境温度的控制显得非常迫切和重要。基于此，本文设计了一套全数字化的温度控制系统来实现对温箱模型内部温度的控制与调节。1温箱模型设计为了保证电子元器件工作在某一指定的温度环境中，并减少箱体内部和外界的热交换，使得箱体内各点温度最终能够稳定在某一指定值，设计了一个全封闭式的箱体，如图1所示。箱体模型内表面为金属制成的封闭壳，箱体内部充满了介质油。因为油的温度控制要比空气的温度控制简单，故通过控制油的温度达到温度控制的目的。从图中可以看出，该箱体图1温箱箱体模型示半导体制冷器保温材料温度传感器散热片主要包括半导体制冷器、保温材料、温度传感器和散热片等4部分。半导体制冷器主要用于对介质温度的控制；各个半导体制冷器之间的空隙用保温材料来填充，使得箱体内外部的热交换可控；紧贴着半导体制冷器上下表面的是主要用来进行箱体内部和外部环境之间热交换的散热片；箱体内各不同的位置安装温度传感器测出各点温度值，经过控制电路把信号传给半导体制冷器，并及时进行调节，使温箱内温度保持某一定值。2数字化温度控制系统2.1硬件设计温度控制系统结构如图2所示。图2温度控制系统结构框图2.1.1监测部分监测部分由数字化半导体温度传感器DS1631组成。DS1631温度传感器采用正比于绝对温度（PTAT）的带隙结构，从而保证在合理的成本下获得相当高的测量精度。通过数据线（SDA）和时钟线（SCL）与控制器接口，用户可选择（9~12位）输出分辨率，在0℃~+70℃范围内精度可达5.0±℃，可满足一般的测量要求，并且可以很方便地挂接在I2C总线上。2.1.2执行部分执行部分采用的是半导体制冷器。半导体制冷器是根据帕耳帖原理，即利用直流电流引起半导体材料中的热量输运制成的一种简单方便的新型制冷器，其结构简单，工作环境要求很低，通过交换电流的方向即可实现制冷或制热，调节电流大小即可控制冷量输出，改变电臂大小及温差电对的排布方式就可满足各种不同的需要。2.1.3数据传输数据传输采用的是比较简单而且实用的I2C总线形式。I2C是一种允许芯片间在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议,主要用于智能集成电路和器件间的数据通信。挂在总线上的各集成电路模块通过一条串行的数据线（SDA）和一条串行的时钟线（SCL）按一定的通信协议进行寻址和信息的传输，每个电路模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上的电路模块有的是主控器，有的是被控器；主控器和被控器都可以是发送器或接收器，这完全取决于它所要完成的功能。通过使用2IC总线可以把温度传感器和半导体制冷器一一对应起来。另外还包括数模转换部分（D/A）和信息处理部分（DSP），篇幅所限，不再介绍。2.1.4工作原理首先由温度传感器把检测所得的箱体内温度值通过I2C总线送入DSP，与设定的温度值进行比较，其结果经D/A转换成为模拟量，再经半导体制冷器驱动芯片转化为电流值作为相对应的半导体制冷器的输入，并对箱体内的介质进行加热或制冷，最终使得箱体内的温度值达到给定值。需要指出的是该系统是数字控制系统，控制算法是通过DSP芯片计算来实现的。图4不同初始条件下的温度控制曲线2.2控制算法在数字控制系统中，是首先通过模拟量输入通道对控制参数进行采样，并将其转换为数字量，然后由计算机按照一定的控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产过程，以达到期望的效果。控制算法在系统控制中起着非常重要的作用，该系统采用的是传统PID算法。在连续系统中，这是一种技术成熟、应用广泛、结构简单且参数易于调整的控制算法，其表达式为01()()()()tpDIdetutKetetdtTTdt⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦∫（1）式中：()ut为调节器的输出信号；()et为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；pK为比例系数；IT为积分时间常数；DT为微分时间常数。在软件实现时，采用的是PID算法的增量式算式，由（1）式变形得出，即012()()(1)(2)ukaekaekaekΔ=−−+−（2）式中，0(1)DpITTaKTT=++，12(1)DpTaKT=+，2DpTaKT=3实验结果分析按照上述方法制作出温箱模型和相关的电路板进行实验仿真。温度数值通过数据采集系统传送到计算机上，这些原始数据以记事本的形式存储在计算机里，然后再用Originpro7.0软件把采集到的数据导出并对这些数据进行画图和分析。在程序设计过程中把目标温度设定为65℃，由于采集系统的功能有限，所以每次只能采集一个温度点处的温度值。图4所示的3幅图是在温箱模型中不同初始条件（初始温度分别为53℃、51℃、45℃）下，经过温度控制系统调节后，3个不同位置处的温度传感器测得的温度曲线。从以上3条温度曲线中可以看出，所检测的每个温度点最终都能非常精确地稳定在所设定的目标温度处。由于半导体制冷器和温度传感器具有对应关系，所以温箱内所有的传感器最终都能稳定在设定温度处，这样就可以保证整个温箱内各点温度可以相对稳定在同一温度，从而保证了温箱内的温度均匀。4结束语综上所述，半导体制冷器的制冷效果达到了预期的目的。利用I2C总线的优势可以清楚地反映出不同位置的温度值，通过实验分析，最终结果证明了所设计的全数字化温度控制系统能够成功地将箱体内的温度控制在某一目标温度。该项技术有望进一步完善和推广，为生产服务。参考文献1唐文彦等.半导体激光高精度温度控制系统的设计.哈尔滨工业大学学报,19942季宏锋等.I2C总线技术及应用实例,自动化与仪表,20023姚志强等.基于DSP与CPLD的I2C总线接口的设计与实现,电子技术应用,20044赖寿宏.微型计算机控制技术.机械工业出版社,2001第一作者杨树亮，男，1978年生，河北理工大学计算机与自动控制学院，硕士研究生，主要从事复杂控制系统的建模与仿真方面的研究。