基于C8051F120的TEC温度控制系统

史湘伟，薛德宽，陈文娟，黄兴洲

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

传统的控温系统大多使用纯模拟电路外接电磁继电器控制加热源的通断以实现温度控制，此种方案温度控制精度低、惯性大、滞后性大、温度电路设计复杂。文章在分析了半导体控温的特点后，以 C8051F120单片机为核心，外接高精度PT100温度传感器得到储物室温度电压信号，由温度设定模块得到温度设定电压信号，单片机处理这两种电压信号，利用PID温度控制算法控制TEC控温模块，实现温度精确的控制，具有控温精度高、控温范围广、响应时间短等优点。［1-4］

1 系统整体设计

系统主要包括单片机控制模块、PT100温度检测模块、温度设定显示模块、TEC控温模块、反馈电路和电源模块等六个模块。系统总体框架图，见图1。

图1 系统总体框架图

2 系统硬件设计

系统主要由单片机控制模块、PT100温度检测模块、温度设定显示模块、TEC控温模块、反馈电路和电源模块等六个模块组成。下面将对重要模块予以介绍

2．1 单片机控制模块

C8051F120单片机是集成了12位A/D、D/A电路8051的内核混合信号控制器。由于本控温系统采用PT100温度传感器，此传感器精度高但是输出信号为模拟信号，并且单片机对TEC温度控制模块中的PID电路控制需要使用模拟信号，所以采用集成了 A/D、D/A转换电路的C8051F120 单片机为控制内核。［11-12］

单片机主要通过IO口接收PT100温度传感器输入的电压信号和温度设定模块输入的电压信号，通过内部程序对这两种电压信号进行处理后输出相应的数字信号，通过D/A转换电路进行数模转换为模拟信号，该模拟信号送到TEC温度控制模块实现温度控制。

2．2 PT100温度检测模块

温度检测模块承担着检测温度并将温度信息传输到单片机的任务，由PT100温度传感器和信号放大电路组成。铂电阻最常应用于中低温区，精度高稳定性好具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小测量范围一般为－200～850℃。

目前应用最广泛的是PT100温度传感器。PT100铂热电阻与温度的关系如下

式中:Rt温度为t℃时铂电阻的电阻值，R0是温度为0时铂电阻的电阻值，ABC为常数

信号放大电路采用OP07E放大器，温度信号输入采用差动放大模式输入电压范围为+/-14V输出电压范围为 +/-12V。［5］设计电路，见图2。

图2 OP07E放大电路

U1放大器放大倍数为:

PT100温度传感器通过OPO7E放大电路接到单片机的IO口上，单片机接收到经过放大的模拟信号，由内部的AD转换电路转化数字信号，通过程序处理温度数字信号得到实时温度，达到检测温度的目的。［7-10］

2．3 温度设定显示模块

温度设定显示模块承担着储物室内温度的显示，所需温度的设定。温度设定及显示模块由4*4矩阵键盘、12864液晶构成。矩阵键盘和12864液晶按常规接法接到单片机的IO口上。通过键盘输入设定温度，单片机接收到温度设定信号，单片机接收温度传感器得到的信号，将这两种信号通过内部程序处理将温度设定信息、储物室实时温度显示在12864液晶上。

2．4 TEC控温模块

本系统的控温模块由半导体制冷片组、SSR-40DA固态继电器、可控硅触发电路、PID控制电路、功放电路和反馈电路组成。半导体制冷是第三代制冷技术，半导体制冷也称热电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方式。与传统的制冷技术相比，它的优点在于:

(1)结构简单，无噪音、无磨损、无污染、可靠性高;(2)制冷速度快，控制灵活;(3)热电堆可以任意排布、大小形状可变。［8］由于上述优点，本控温系统采用半导体制冷。

SSR-40DA固态继电器使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时接NPN型三极管构成射极输出器电路，以提高驱动电流三极管的基极连接单片机的一个IO口，当单片机的该IO口为高点平时，三极管驱动固态继电器工作，接通半导体制冷片工作，半导体制冷片组制冷，当单片机的该IO口为低电平时固态继电器关断，半导体制冷片组停止工作。［9］可控硅触发板是通过调整可控硅的导通角来实现电气设备的电压电流功率调整的一种移相型的电力控制器，图3为可控硅移相触发器KC785外电路连接图，图4为 PID控制电路，图5为功放电路。

图3 可控硅移相触发器KC785外电路连接

图4 PID控制电路

图5 功放电路

由温度设定和显示模块输入设定温度值，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过12位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于温度传感器测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过PID电路后，获得一个控制量给控制SSR-40DA固态继电器的IO口，控制半导体制冷片组，构成实时闭环系统，同时实际测量电压值并显示在显示模块上输出控制D/A转换电路转换成电压信号来控制可控硅触发电路，从而控制可控硅通断率，通过调节半导体制冷片中电流即可达到控制温度恒定的目的。

3 系统软件实现

3．1 PID温度控制算法

温度控制技术大致可分为定值开关控温法PID线性控温法。定值开关控温法通过软件计算判别系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控温度控制精度低。当我们不完全了解被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数时，最适合用PID控制技术。PID线性控温法主要取决于比例值、积分值、微分值，只要三参数选取的正确，就能大幅度提高温度的控制精度。当执行机构需要的不是控制量的绝对值而是控制量的增量时需要用PID的增量算法，本系统则采用PID的增量算法。

位置式PID控制算法

增量式PID算法

系统的温度控制采用的就是PID增量式控制算法。比例系数KP、积分时间T1和微分时间TD的大小是控制系统设计的核心内容。在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数，该温度控制系统采用的就是凑试法来确定PID的参数。在凑试时，针对比例系数、积分时间和微分时间参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分、再微分的整定步骤。

3．2 软件程序

软件程序是本系统的核心它包括从温度采样到信号输出的整个流程控制，见图6。

图6

程序功能主要由以下的几部分组成:

(1)系统初始化:将系统回归原始开机状态。

(2)键盘输入:单片机获得设定的温度。

(3)液晶显示:将信息显示在121864液晶上。

(4)温度控制:PID温度算法。

(5)温度检测程序:获取储物室内的温度。［2］

4 结 论

文章提供了一整套温度控制系统，装置结构简单，温度控制精确，响应时间快;系统采用半导体制热制冷，同时采用了PID温度算法提高了测温控温精度。实验证明本系统可以实现3～80℃的控温，控温精度达0．5℃。

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