基于热电致冷器的核磁共振智能空调系统设计

黄月明

摘要：本文介绍了一种以热电致冷器为制冷单元，采用单片机进行温度PID调控的空调设计。

关键词：热电偶致冷器；PID温控；设计

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0181-01

工业在线核磁共振分析仪在化工领域的物质组分分析中发挥越来越大的作用，仪器的关键部件永磁体对温度较为敏感，采用空调对仪器的环境进行温控必不可少，核磁共振运行环境较为苛刻，传统空调并不能满足应用要求，新型制冷方式热电偶制冷成了最佳选择。

本文提出一种基于热电致冷器的核磁共振空调设计，具有使用寿命长、无噪声、响应时间短、无机械运动、安全环保等特点，经过温控实验可以用做工业在线核磁共振的空调系统。

1 总体方案设计及原理

核磁共振空调系统以微控制器C8051f021为控制核心，热电致冷片为制冷单元，运用PID进行温度控制，可设定目标值、比例系数、积分常数以及微分常数，温度控制较为稳定可以为核磁共振永磁体提供一个稳定的温度环境。

2 系统硬件以及相关电路设计

2.1 热电致冷器TEC1-12706

热电致冷器工作功率由供电电压控制，通过改变供电电压的方式可以改变致冷器功率。本设计中采用TEC1-12706致冷器，其内部有127对热电偶，流通最大电流为6A，最大电压15.24V，单片最大制冷功率为52.4w。运用32片致冷器使磁体工作环境维持在25摄氏度（±0.1摄氏度），可调节设定温度根据不同环境进行不同的温度设定。

致冷器安装结构如图1所示。

安装注意事项：（1）致冷器表面导热硅脂厚度适宜。（2）螺丝紧固要均匀力度适中。（3）硅胶必有，密封防潮。（4）电源用0-48V可调开关电源，纹波系数小于10%。（5）只用于制冷加热需要等待致冷器冷却至常温。（6）致冷器4片串联一起分为一组。

2.2 温度控制处理器C8051F021

本设计采用新华龙公司微控制器C8051F021芯片为温度控制核心，采用传统PID控制方法，输出PWM信号，运用单片机内部8位ADC进行数据处理。采用485通讯与上位机传递数据，同时磁体仓内温度显示在数码管上。根据现场环境改变设定温度，使磁体工作在一个稳定的温度环境内。

2.3 温度传感器PT1000

温度传感器采用较为传统的PT1000，PT1000是铂热电阻，他的阻值会随温度变化而变化，当PT1000在0℃时阻值为1000欧姆。利用传统电桥电路将电阻信号转为电压信号经过放大后连接单片机AD转换I/O口进行后续数据处理。

PT100在0-850℃时电阻与温度关系如下：

R（t）=R0*（1+A*t+B*t*t）

R（t）是温度t时电阻值。R0是温度为0时电阻值。t为温度。A、B为分度常数。

根据以上关系以及转换后的电压信号可得出测量温度进行显示以及后续对比处理。

2.4 致冷器供电电源

致冷器功率较高，线性电源做相应功率会有较大的体积所以选用开关电源作为供电系统。采用明纬公司3000w 0-48V可调开关电源供电，控制电压为0-5V。电源供电220V交流，电源纹波系数8%，运用示波器测试电源基本满足使用条件，可以作为该设计的供电电源。

2.5 系统框图

制冷单元以及温度控制系统框图（图2）解释如下：传感器PT1000采集核磁共振箱体内部温度，采集的温度与设定温度对比决定输出PWM信号占空比，PWM信号经过二阶积分电路转换成电压信号，电压信号经过运算放大器放大至所需0-5v信号，输出电压信号控制可变电压源输出电压，输出电压的变化决定致冷器工作功率对箱体内部进行温度控制，形成闭环的PID温度控制系统。

3 系统软件设计

核磁共振空调系统软件部分主要包括系统温度初始化程序、LED驱动芯片TM1640程序、PID控制方法程序、485通讯程序以及ADC转换等程序等模块。

4 实验数据及应用实例

该系统在核磁共振防爆柜内进行了实验测试，采用手持式红外测温仪进行温度测量并进行对比实验，箱体内部模拟电子元器件发热及磁体加热电阻丝，测试数据如表1。

从实验数据分析，其中温度现实值、温度控制精度等指標一般能满足核磁共振分析仪永磁体工作温度环境，可以用于核磁共振最外层空调使用。

5 结语

本文从系统的整体设计、硬件设计、软件设计等方面介绍了设计方法以及原理，该空调系统能够配套核磁共振波普仪为永磁体提供较为稳定的温度环境，各个指标均满足要求，可作为前期实验以及后期成型产品的空调使用。endprint