红外高发热精密探测器中恒温控制模块设计

黄　栋,李建杰,袁旭军（.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 00093；.上海科源电子科技有限公司,上海 00）

红外高发热精密探测器中恒温控制模块设计

黄栋1,李建杰1,袁旭军2
（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093；2.上海科源电子科技有限公司,上海 201101）

为了提高红外探测器在实际工作中的性能和稳定性,设计了一种针对高发热红外精密传感器的自动调节探测器外围温度的装置。该装置利用C8051F350单片机对半导体制冷片进行制冷、制热和不同功率运行的控制,保持探测器外围温度的稳定。通过PID算法编程,结合多点测量实现环境温度的均匀性和稳定性。实验结果表明,在一天的工作时间内,该装置可使探测器外围的温度控制在20℃,控制精度为±0.5℃,显著提高了探测器的性能。

半导体制冷；MCU；PID算法；性能

引 言

高稳定性的温度控制是红外高发热精密探测器模块的关键技术之一,提高探测器外围的温度稳定性有助于提高探测器的性能［1］。红外探测器在测量时的性能会随着外界温度变化和自身发热产生影响,温度变化会影响探测器的输出噪声、信号增益和输出信号的信噪比等。因而需要一个高精度高稳定性的恒温控制装置来提高探测器外围温度的稳定性。其设计通常包括两个方面:一是保温设计,通过增大温控箱外壁的热阻,减少内外的热交换,减少不必要的损耗；二是通过TEC制冷片进行制冷或制热,维持箱内温度的恒定。本文提出一种基于C8051F350控制芯片,结合PID控制算法的设计［2］,使探测器外围的控制目标温度为20℃,控制精度为±0.5℃。

1　恒温箱的工作原理

恒温箱硬件设计框图如图1所示。整个恒温箱装置主要由恒温箱的核心控制模块、电源模块、温度采集模块、TEC制冷片及其驱动模块、LCD显示模块和通讯模块组成。

模块由LM2475M-5提供DC 5 V,然后通过TPS7333QD和LM1117-3.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V。温度采集模块是用于实时检测温控箱内多个不同位置的环境温度。LCD是用来显示用户设定状态信息和箱内实际温度。根据实际温度和设定温度值进行比较,所得的差值通过PID算法进行处理,然后输出适当占空比的PWM波来驱动半导体制冷模块,使半导体制冷或者制热,以达到设定的工作温度环境。通过通讯模块向上位机发送当前工作状态并且接受上位机的指令。

图1　硬件设计框图Fig.1　The diagram of the hardware

2　硬件电路设计

2.1电源模块

MCU部分电路的工作电压需要AC 5 V、AC 3.3 V和DC 3.3 V电压供电。首先通过开关电源把市电220 V/50 Hz转化为直流电24 V。通过LM2475M 5提供DC 5 V给LCD显示模块供电,然后通过TPS7333QD和LM1117 3.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V给C8051F350数字部分和模拟部分供电。另有大功率的直流电源直接为制冷片驱动模块提供工作电压。

2.2温度采集模块

PT100作为温度传感器,具有稳定性能高、响应快、测量精确度高等诸多优点,工作范围—200～650℃。PT100是电阻式温度传感器,具有正电阻系数。设计中实际控温范围可以达到15～55℃［3］。由R16和R17两个精密电阻分压得到AIN.Ref的输入电压,AIN.Ref做为差分测量的一端,ADIN1和ADIN2做为差分测量的另一端,惠斯登电桥部分原理图如图2所示。由于电压值比较微弱,直接将信号送入A/D会影响测量精度,所以需通过MCU内部的PGA放大得到合适的电压值。在实际使用中,由于PT100并没有良好的一致性,同时随着PT100等元器件的老化,每个PT100在同一温度下测出的电阻是有区别的。为了改进温度计算方式,可以使用不同的参数来保证每个PT100具有良好一致性。根据以往对于PT100温度和电阻关系研究,在该装置正常工作的范围内,可认为温度和测量电压成一定的线性关系。温度采集是采用惠斯登电桥,因此温度和A/D采集的电压成正相关,MCU需记录两个温度下的采样电压值即可标定出Ka和Kb的值,得出式中:T为测试温度；Mea.AD为A/D采集的电压值。通过测量箱内两侧不同位置的温度值,可以更好控制箱内温度的均匀性和稳定性。

图2　温度采集电路部分原理图Fig.2　The schematic diagram of the temperature acquisition circuit

2.3TEC制冷片及其驱动模块

TEC制冷片选用的是4片TEC1-12076。驱动模块采用4片APM3020P、APM2023N和三极管构成的H桥驱动电路驱动半导体制冷片,如图3所示。

图3　H桥驱动电路Fig.3　The H-bridge driving circuit

半导体制冷片又叫做热电制冷片。半导体制冷是以温差电现象为基础的制冷方式,利用半导体材料的Pettier效应［4］,当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,实现制冷或加热目的。

本恒温箱选用TEC1-12076,可以使用在可靠性要求高,无制冷剂污染的场合。值得注意的是,制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压,必须停止工作5 min后,再通反向电压。

在TEC驱动电路上的设计,利用MCU输出的PWM波,由MCU端口控制三极管S8050的工作情况,从而控制APM3020的开关情况。APM3020P的最大工作电压为30 V,最大电流为11 A。 APM2023N的工作情况则完全直接由MCU输出的PWM波控制。APM2023N的最大工作电压为20 V,最大电流为12.8 A。TEC1-12076最大工作电压为15.4 V,最大工作电流为6 A。该恒温箱采用12 V稳压电压供电,最大输出电流为16.8 A。当温控恒温箱全功率工作时,流经MOS管的电流约为8 A,满足MOS管技术指标。

图4　恒温箱控制流程图Fig.4　The flow chart of control system

3　软件设计和算法

3.1软件设计

基于C8051单片机的温控模块的恒温箱软件控制流程图如图4所示。

电路部分主要完成以下功能:上电以后根据EEPROM内部数据自行控温,也可以在线设定目标温度值。单片机先采集温度,通过PID控制算法,产生合适占空比的PWM波,控制MOS管的开关工作情况,从而改变半导体制冷片的供电电压。控制板上电启动后,进行初始化,通过温度采集模块采集PT100上的电压差从而计算出当前温度值,由数码管进行显示,并通过串口通讯把数据传输到上位机。同时MCU从EEPROM读取设定的温度值,将此刻温度值与设定的温度值进行比较,在温差超过3℃时,为了加快升温或降温的速度,使半导体制冷片进行全功率工作。在温差在3℃以内时,进行PID调节,调节PWM的占空比,对半导体制冷片进行加热或制冷控制。

3.2PID算法实现以及参数标定

PID是常用的控制器,由于外界环境的干扰,该恒温箱需要进行闭环控制,要想达到设定目标,整个过程的控制和调节就必须不断进行。

PID的数学模型表达式［5］为

式中:KP为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数；e为设定值与反馈值的差值。

在实际的MCU控制中,需要用到数字式PID。将PID控制器的传递函数中的微分项和积分项进行离散化处理,就可以实现数字式PID。PID控制编程表达式［6］为

式中:Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

针对传统的PID经验调节,找到合适I和D参数并非易事。根据经典的Ziegler-Nichols法则,构建闭环控制回路。将调节器积分时间设定为无穷大,微分时间设定为零,比例度取适当值,使系统按纯比例作用运行。稳定后,适当减小比例度,在外界干扰作用下,寻取系统出现等幅震荡临界状态,此刻的Kp为临界比例度,Tc为震荡波形的临界周期,然后根据公式计算控制器参数［7］。

4　实际应用以及测试数据

在安检仪设备中,红外探测器位于设备内部。仪器内部由于各种设备较为密集,温度较室外高,并且白天和夜晚温差较大。探测器性能受温度影响较大,为了得到稳定的性能,采用上述恒温控制装置对探测器进行温度控制。在实验中,通过改变温控箱内温度得到信号和噪声电压测试数据,如表1所示, N（人）为人体位于探测器前端时候的噪声电压,S（人）为人体位于探测器前端时候的输出直流有效值, S（波）为吸波墙位于探测器前端时候的输出直流有效值。实验对象为人体,人体距探测器为1 m并紧靠吸波墙,调节温控箱内温度后稳定30 min再进行测量。在实际测试中,由于探测器输出电压值变化较小,我们采用探测器级联放大电路进行测试。所需测数据为人位于吸波墙时示波器读取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和无人时探测吸波墙的直流有效值Va,则Vs=Vd—Va,得到

式中:Vs为探测人体时候的探测器输出的变化值；Vn为探测人体时探测器输出的噪声有效电压值。

表1　原始电压值Tab.1　The voltage value

由测试数据可见,温度对信号的增益、噪声幅度和输出信噪比均有较大影响,如图5、图6和图7所示。温度越低噪声越小,待测物的信号越强,信噪比越高。图8所示为温控箱在一天8 h内室温和箱内温度的变化曲线,温控箱内的设定控制温度为20℃。从图可以看出,本装置能有效控制箱内温度稳定。

图5　噪声变化曲线Fig.5　Noise with temperature change

图6　输出信号变化曲线Fig.6　Signal with temperature change

图7　输出信噪比变化曲线Fig.7　SNR with temperature change

图8　温度随时间的变化曲线Fig.8　Temperature with time change

5　总 结

本文介绍了一种基于以C8051单片机为核心,结合多点测温和多路控制达到自动控温,并可以根据两侧温度差异自行调节,从而使箱内的温度稳定。经测试可以用于保证探测器外围温度的稳定,控制误差在0.5℃以内。在实际的应用中,减少了输出噪声,提高了探测器的增益和输出信噪比,有利于整个恒温箱的稳定工作,具有一定的实用价值。

［1］ 龚学艺,苏晓锋,黄思婕,等.红外探测器信息获取系统噪声特性［J］.红外与毫米波学报,2015,34（1）:80-86.

［2］ Cyanal Integeated Products,Inc.C8051单片机应用解析［M］.潘琢近,孙德龙,夏秀峰,译.北京:北京航空航天大学出版社,2002: 210-271.

［3］ 张瑜,张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计［J］.传感技术学报,2010,23（3）:311-314.

［4］ 陈振林,孙中泉.半导体制冷器的原理与应用［J］.微电子技术,1999,27（5）:63-65.

［5］ 廖红华.温度控制系统中双模糊PID控制器的研究［J］.电子测量与仪器学报,2006,20（6）:98-101.

［6］ 吴仕平,陈军,蔡洁,等.基于模糊PID的半导体激光器工作温度控制［J］.光学仪器,2009,31（6）:30-34.

［7］ 白志刚.自动调节系统解析与PID整定［M］.北京:化工工业出版社,2012:50-105.

（编辑:张 磊）

Design of temperature control module for infrared high temperature precision detector

HUANGDong1,LI Jianjie1,YUAN Xujun2
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China；2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201101,China）

In order to improve the performance and stability of the infrared detector,we design a temperature contoller to adjust the external temperature of the infrared detector intelligently. This equipment uses C8051F350 MCU to control refrigeration,heating and different power operation of semiconductor chilling plate.The uniformity and stability of environmental temperature of infrared detector is realized by PID algorithm and multi-point measurement. The experimental results show that the peripheral temperature of infrared detector was maintained at 20℃with deviation of 0.5℃during one-day working time,and demonstrate that this equipment could significantly improve the performance of the detector.

semiconductor refrigerating；microcontroller unit（MCU）；PID algorithm；performance

TP 273.5

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.012

1005-5630（2016）02-0154-05

2015-06-12

黄 栋（1989—）,男,硕士,主要从事仪器仪表工程和太赫兹成像研究。E-mail:1521507290@qq.com

李建杰（1981—）,男,博士,主要从事电磁场与微波技术研究。E-mail:jijianjie—972023@163.com