浅析多通道TEC工业CCD相机保温仪

徐爽　王劲松　王锋

摘要：保温控制在工业生产，农业生产和军事实验中都有着决定性的影响。设计并实现了基于DS18b20为温度传感器的多通道温度测量系统，实时测量保温仪内部温度，传输到单片机STC89c52，再由LCD12864的显示系统显示出保温仪内部温度，根据测量得到的温度经单片机判断最后由以TEC为核心的多通道温度控制系统对保温仪进行加热或是制冷，达到保温仪内部保温的效果。给出了各部分电路原理图和实物图。实验结果表明，控温稳定性好，温度波动性小，能很好的满足多点温度测试要求。

关键词：保温控制；TEC；DS18b20；多通道

中图分类号：V443文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

在现代，CCD相机在多领域被广泛应用，成为人类获取信息的主要工具之一。做为一种半导体集成器件，CCD相机对环境温度变化非常敏感，环境温度过高，引起光学和机械误差将导致相机的视轴漂移和光学系统的波前畸变，造成影像模糊，严重破坏成像质量，而环境温度过低直接会导致CCD相机不能工作。这就限制了其在一些温度环境相对恶劣条件下的使用 。如产品环境模拟试验，环境温度低温达到-40℃，高温要60℃，这就要求CCD相机应具有较宽的工作温度适应能力，通常有两种方法，一是采用制造工艺，生产宽温器件，二是采用保温措施保证CCD器件的工作环境温度，因后者的成本较前者低，被广泛采用。据此文中设计了多通道CCD保温仪，采用DS18b20为温度传感器和TEC半导体为制冷制热器件，STC89c52为中心控制器件，可实现-50℃～+70℃较恶劣环境温度下CCD相机正常过工作条件。

1系统总体结构

本次设计的测温系统不仅要求能够实现多通道同时测温，而且测温精度较高，图1是保温仪的系统硬件设计的总体框架。

1.1单片机控制系统

整个系统由STC89C52进行集中控制和管理。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 。

1.2单总线测温系统

DS18b20是由美国DALLAS公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可以直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理 。

DS18b20独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18b20的双向通信，并且支持多点组网功能，多个DS18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温，在使用中不需要任何外围元件，全部传感器及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，测量温度范围为-55℃—+125℃，可编程分辨率为9—12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，在-10℃—+85℃时精度为±0.5℃ 。

1.3 驱动系统

驱动系统主要是控制保温仪的加热、制冷，以及散热。通常制冷有风冷、水冷、压缩机制冷、TEC制冷等几种方式 。本系统采用TEC加热/制冷，TEC是利用半导体的热—电效应制取冷量的器件，又称热—电制冷片 。利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷的目的 。本系统采用TEC1-12706。系统采用了6片制冷片，同时控制六个保温仪，输入电压选用12V，总的制冷功率达到 330W。为了保证TEC加热制冷功率，会在TEC的一面加上散热组件（风扇和散热片）。

驱动系统电路如图4（a）所示，由单刀双掷继电器、PNP8550、IN4007以及 两端接的TEC组成，通过三极管 、 的导通和截止来控制继电器的吸合与断开，从而使TEC两端导通，对系统进行加热或是制冷。继电器两端反接的二极管IN4007为消耗二极管，用来消耗反向电动势。

1.4 LCD显示系统

显示系统采用128×64 的 LCD 显示器。5V电压驱动，带背光，液晶显示模块是 128×64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标 GB2312码简体中文字库（16×16 点阵）、128 个字符（8×16 点阵）及 64×256 点阵显示 RAM（GDRAM）。与 CPU 直接接口，提供两种接口来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式 。 本系统采用并行链接方式。图5是其和单片机的接口。

2 系统软件设计

软件设计是保温仪的重要组成部分，软件流程图如图6所示。

上电以后，单片机首先对其进行初始化设置，设置与继电器连接的个引脚输出低电平，继电器断开，制冷组件停止工作，然后初始化12864，初始化DS18b20温度传感器，开始测温，需要注意的是由于系统是多通道DS18b20同时测温，所以需要先将DS18b20温度传感器的序列号读取出来，然后在测温时通过匹配序列号判断所读取的是哪个保温仪的温度，最后将各保温仪的温度与设定值相比较，如果不在设定温度范围内则调用温控子程序。根据实验需要，在最开始将系统的温度值设定为高温25℃，低温20℃，也可以根据实验环境需要，设定温度警报值，当某个保温仪内温度超出警报温度范围，则调用报警程序，并尽快将系统关闭，以免将其他器件烧毁。

3 应用试验

应用在高低温环境下对瞄准镜进行可靠性试验，，需要CCD相机进行图像采集，试验温度要求在-50℃～60℃。图9（a）为高低温箱内部结构图，将CCD相机及保温仪系统放到放在高低温箱内部，高低温箱负责给实验提供温度条件。（b）保温仪实物图。

℃

高低温箱温度 1号保温箱内温度 2号保温箱内温度 3号保温箱内温度 4号保温箱内温度

-50℃ 19.8℃ 19.6℃ 19.4℃ 19.6℃

-40℃ 19.9℃ 19.7℃ 19.6℃ 19.4℃

0℃ 21.3℃ 22.1℃ 21.4℃ 21.7℃

40℃ 23.2℃ 24.1℃ 23.8℃ 24.0℃

50℃ 24.9℃ 25.1℃ 24.8℃ 25.0℃

保温仪是为确保在一些极端温度下实验可以正常进行，所以系统采用的测温精度为0.1，由测量结果可以看出在高温和低温情况下保温仪内温度合理的控制在了CCD相机的工作温度范围呢，且四通道恒保温仪温度一致性比较好，温度波动性小与±1℃，满足了设计要求。

5结论

采用DS18b20为温度传感器的多通道TEC保温仪，外围电路简单，不易干扰，不仅为高低温下进行的CCD图像采集实验提供了温度保障，并且也可以应用与其他极端温度下的实验，为工作温度范围较窄的电子器件提供温度保障，保证了个电子器件在高温或是低温下正常工作，不影响实验结构，并且生产简单，操作简单，适合与多种实验与生产中。

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