CN104238599B - 一种用于光纤系统的温度控制器中单片机的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光纤系统的基于单片机的TEC温度控制器，属于自动温度控制技术领域。包括单片机、光耦隔离电路、温度传感器、驱动电路和TEC，其特征在于单片机和光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路和驱动电路相连接，驱动电路的输出端连接到TEC；温度传感器和单片机相连接；温度传感器和TEC被置于光纤系统中需要控温的部位处，本发明利用TEC和单片机控制光纤系统中需要控温的部位处的温度，使得控温的精确度大大的提高，从而改善光纤系统的测量精度。

Description

一种用于光纤系统的温度控制器中单片机的工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于光纤系统的基于单片机的TEC温度控制器，属于自动温度控制技术领域。

背景技术

光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过20多年的迅速发展，它在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗等行业以及环保工程和生物工程等方面都有着广泛的用途，但是其光学系统易受温度的影响。例如，激光器的输出波长随温度漂移，在电流恒定的情况下,温度每升高1℃,激光波长将增加大约0.2～0.3nm，激光器是一种温度敏感器件,微小的温度变化能使激光器输出波长产生明显的变化；耦合器透射光波和耦合光波的平均波长和功率都会随着温度的变化而发生变化；温度的变化同样影响探测器的光电转化效率和生成光电流的大小。上述因素会影响光纤气体传感器测量的准确性，因此需要对其光学系统进行控温，减小温度的影响。

TEC即半导体制冷器具有体积小、无噪声、无污染等特点，广泛应用于航天、军事、光电、机电、医疗、汽车、通讯等领域。对光学系统的温度控制恰巧需要体积小工作安静的温度控制器。

光纤气体传感器的光学系统，例如激光器，耦合器、探测器易受温度的影响，从而影响测量的准确性，因此需要对光学系统进行温度控制。陈建萍、刘润华的论文“半导体激光器的温控电路设计”(赣南师范学院学报，2010年第三期，74-76页)针对半导体激光器的工作需要,提出了一种基于硬件PID技术的温控电路。硬件PID技术就是利用放大器做的比例、积分、微分电路，该硬件PID技术易受噪声影响，从而影响控温的准确性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种用于光纤传感系统的基于单片机的TEC温度控制器。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于光纤系统的基于单片机的TEC温度控制器，包括单片机、光耦隔离电路、温度传感器、驱动电路和TEC，其特征在于单片机和光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路和驱动电路相连接，驱动电路的输出端连接到TEC；温度传感器和单片机相连接；温度传感器和TEC被置于光纤系统中需要控温的部位处；

所述驱动电路所用芯片型号为L298N；

所述光耦隔离器的型号为TLP521-4。

所述温度传感器的型号为DS18b20。

所述单片机型号为STC12C5A60S2。

所述TEC型号为TEC1-12706。

本发明温度控制器在使用时，先将温度传感器和TEC被置于光纤系统中需要控温的部位处，由单片机程序预先设定的温度值和温度传感器检测的温度值相比较，通过PID算法由单片机调节驱动电路的输出电流的大小和方向来控制TEC工作，利用TEC控制光纤系统中需要控温的部位处的温度，使得控温的精确度大大的提高，从而改善光纤系统的测量精度。

一种上述温度控制器中单片机的工作方法，步骤如下：

(1)将温度传感器和TEC置于光纤系统中需要控温的部位处，在单片机中对温度传感器进行复位、读、写设定：设定1ms时间长度的低电平信号即可实现复位；设置定时器中断，一次中断时间为100ms，设置5次定时器中断，即每500ms单片机给温度传感器进行一次读操作，单片机读数是串行数据，需要乘以0.0625转换成实际温度；

(2)单片机对从温度传感器读取的温度值做PID(比例、积分、微分)算法处理；预设变量Duty为浮点型变量(保证该变量范围足够大)，设定温度值为settemp，读取的真实温度值为realtemp，累计误差为sumerror；单片机所获取的累计误差是其每次从温度传感器读取的真实温度值与设定温度值之差累加之和；

(3)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差大于5℃，即settemp-realtemp﹥5或者realtemp-settemp﹥5时，则单片机输出全高或者是全低电平，从而控制TEC全速制热或者制冷；

(4)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差小于或等于5℃，即settemp-realtemp≤5或者realtemp-settemp≤5，则单片机对输出的电平进行脉冲宽度调制，具体的调制情况是由Duty的值决定的；

(5)上述中，Duty＝sumerror*0.4+51*(realtemp-settemp)，即Duty的大小由sumerror和realtemp-settemp大小确定，sumerror后面乘的系数是根据被控温物质的比热容确定的；realtemp-settemp前面乘的系数51，目的是单片机开始工作时，判断Duty和255以及-255的大小关系；

(6)当Duty﹥255时，则单片机输出全低电平，流经TEC的电流方向为正，TEC进行全速制冷；当0≤Duty≤255时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出正向方波，流经TEC的电流方向为正，TEC进行制冷，但是制冷效率下降；当-255≤Duty﹤0时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出反向方波，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热，但是制热效率下降；当Duty﹤-255时，则单片机输出全高电平，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热；

(7)单片机根据Duty的大小来控制TEC的工作方式，设定温度值settemp与读取的真实温度值realtemp会越来越接近，所以累计误差sumerror也越来越趋近于0，因此TEC工作一段时间后就能把温度控制在设定的值。

本发明所述光纤系统中需要控温的部分主要包括激光器、耦合器和探测器，也可用于其它的自动温度控制技术领域。

本发明温度控制器工作原理为：单片机对TEC的温度控制是采用PWM方式，单片机输出高低电平决定TEC加热制冷的状态，PWM占空比决定加热制冷的时间。对激光器、探测器、耦合器进行控温时，把它们和TEC、温度传感器封装在一起，光学器件的温度一般控制在20℃左右。因此由程序设定温度值为20℃，温度传感器的温度通过单片机采样，单片机把采样温度和设定温度相比较，如果两者相差5℃以上，则单片机输出全高或全低电平，控制TEC进行全速加热或制冷，当采样温度和设定温度相差5℃以内，则单片机输出电平进行PWM，两者温度越接近时，PWM越剧烈，从而把温度控制在设定的温度值。

上述中，全高电平、全低电平以及PWM占空比是由单片机根据采样的温度和设置温度值的偏差经过PID算法得到。单片机的输出和TEC驱动电路的输入之间加了光耦隔离电路，单片机输出电流为几个毫安，而TEC驱动电路的输入电流最大为3A，光耦隔离电路功能是使输入和输出地隔离,防止输出端大电流通过地流入输入端,对弱电部分造成干扰。TEC在全速制冷或全速加热时功率为36W。

上述的PID算法是工业控制上的一种控制算法，其中P表示比例，I表示积分，D表示微分。以温度控制的PID程序为例：P(比例)表示在温度设定值上下多少度的范围内做比例动作，当温度越高，功率越小，温度越低，功率就越大，功率到底为多大，就看温度偏差值和比例区间的大小按反比关系计算。I(积分)也是一种比例，是温度偏差值的累积值与设定的一个值之间的反比关系，但要注意何时将温度偏差值的累积值清零。积分就好像当温度比设定值低很多而你有觉得温度升的慢的时候就使劲的加大功率一样。D(微分)是温度变化快慢跟功率的比值，即当你觉得温度上升的太快时，就降低功率，以阻止温度上升过快，反之当温度下降太快时，就加大功率以阻止温度下降太快。

上述的TEC是英文ThermoelectricCooler的缩写，意思是半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。对光学系统进行控温时，在TEC的反面加上散热片，目的是减小反面对正面的影响，以便快速达到设定的温度值。

TEC温度控制器在全速制冷或全速加热时功率为36W，PWM时功率小于20W，温差不超过50℃时，半导体制冷的效率高于压缩式制冷和其他形式制冷的效率。

TEC温度控制电路的芯片采用STC12C5A60S2作为其控制核心，能够在工作过程中不断对采取温度传感器的温度值和设定的温度值相比较，通过PID算法进行自动修正，控制TEC的加热或制冷量，因此可以克服长期使用和环境温度变化引起的误差，有效提高系统的测量、控制精度。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

由单片机程序预先设定的温度值和温度传感器检测的温度值相比较，通过PID算法由单片机调节驱动电路的输出电流的大小和方向来控制TEC工作，利用TEC控制光纤系统中需要控温的部位处的温度，使得控温的精确度大大的提高，从而改善光纤系统的测量精度。

附图说明

图1为本发明TEC温度控制器的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，一种用于光纤系统的基于单片机的TEC温度控制器，包括单片机、光耦隔离电路、温度传感器、驱动电路和TEC，其特征在于单片机和光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路和驱动电路相连接，驱动电路的输出端连接到TEC；温度传感器和单片机相连接；温度传感器和TEC被置于光纤系统中需要控温的部位处；

所述驱动电路所用芯片型号为L298N；

所述光耦隔离器的型号为TLP521-4。

所述温度传感器的型号为DS18b20。

所述单片机型号为STC12C5A60S2。

所述TEC型号为TEC1-12706。

实施例2：

一种上述温度控制器中单片机的工作方法，步骤如下：

(1)将温度传感器和TEC置于光纤系统中需要控温的部位处，在单片机中对温度传感器进行复位、读、写设定：设定1ms时间长度的低电平信号即可实现复位；设置定时器中断，一次中断时间为100ms，设置5次定时器中断，即每500ms单片机给温度传感器进行一次读操作，单片机读数是串行数据，需要乘以0.0625转换成实际温度；

(2)单片机对从温度传感器读取的温度值做PID(比例、积分、微分)算法处理；预设变量Duty为浮点型变量(保证该变量范围足够大)，设定温度值为settemp，读取的真实温度值为realtemp，累计误差为sumerror；单片机所获取的累计误差是其每次从温度传感器读取的真实温度值与设定温度值之差累加之和；

(3)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差大于5℃，即settemp-realtemp﹥5或者realtemp-settemp﹥5时，则单片机输出全高或者是全低电平，从而控制TEC全速制热或者制冷；

(4)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差小于或等于5℃，即

settemp-realtemp≤5或者realtemp-settemp≤5，则单片机对输出的电平进行脉冲宽度调制，具体的调制情况是由Duty的值决定的；

(5)上述中，Duty＝sumerror*0.4+51*(realtemp-settemp)，即Duty的大小由sumerror和realtemp-settemp大小确定，sumerror后面乘的系数是根据被控温物质的比热容确定的；realtemp-settemp前面乘的系数51，目的是单片机开始工作时，判断Duty和255以及-255的大小关系；

(6)当Duty﹥255时，则单片机输出全低电平，流经TEC的电流方向为正，TEC进行全速制冷；当0≤Duty≤255时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出正向方波，流经TEC的电流方向为正，TEC进行制冷，但是制冷效率下降；当-255≤Duty﹤0时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出反向方波，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热，但是制热效率下降；当Duty﹤-255时，则单片机输出全高电平，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热；

(7)单片机根据Duty的大小来控制TEC的工作方式，设定温度值settemp与读取的真实温度值realtemp会越来越接近，所以累计误差sumerror也越来越趋近于0，因此TEC工作一段时间后就能把温度控制在设定的值。

Claims (1)

1.一种用于光纤系统的温度控制器中单片机的工作方法，该温度控制器包括单片机、光耦隔离电路、温度传感器、驱动电路和TEC，单片机和光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路和驱动电路相连接，驱动电路的输出端连接到TEC；温度传感器和单片机相连接；温度传感器和TEC被置于光纤系统中需要控温的部位处；该方法步骤如下：

(1)将温度传感器和TEC置于光纤系统中需要控温的部位处，在单片机中对温度传感器进行复位、读、写设定：设定1ms时间长度的低电平信号即可实现复位；设置定时器中断，一次中断时间为100ms，设置5次定时器中断，即每500ms单片机给温度传感器进行一次读操作，单片机读数是串行数据，需要乘以0.0625转换成实际温度；

(2)单片机对从温度传感器读取的温度值做PID算法处理；预设变量Duty为浮点型变量，设定温度值为settemp，读取的真实温度值为realtemp，累计误差为sumerror；单片机所获取的累计误差是其每次从温度传感器读取的真实温度值与设定温度值之差累加之和；

(3)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差大于5℃，即settemp-realtemp﹥5或者realtemp-settemp﹥5时，则单片机输出全高或者是全低电平，从而控制TEC全速制热或者制冷；

(4)当设定温度值与单片机读取的真实温度值相差小于或等于5℃，即settemp-realtemp≤5或者realtemp-settemp≤5，则单片机对输出的电平进行脉冲宽度调制，具体的调制情况是由Duty的值决定的；

(5)上述中，Duty＝sumerror*0.4+51*(realtemp-settemp)，即Duty的大小由sumerror和realtemp-settemp大小确定，sumerror后面乘的系数是根据被控温物质的比热容确定的；realtemp-settemp前面乘的系数51，目的是单片机开始工作时，判断Duty和255以及-255的大小关系；

(6)当Duty﹥255时，则单片机输出全低电平，流经TEC的电流方向为正，TEC进行全速制冷；当0≤Duty≤255时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出正向方波，流经TEC的电流方向为正，TEC进行制冷，但是制冷效率下降；当-255≤Duty﹤0时，则单片机输出的电平进行脉冲宽度调制，单片机输出反向方波，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热，但是制热效率下降；当Duty﹤-255时，则单片机输出全高电平，流经TEC的电流方向为负，TEC进行制热；

(7)单片机根据Duty的大小来控制TEC的工作方式，设定温度值settemp与读取的真实温度值realtemp会越来越接近，所以累计误差sumerror也越来越趋近于0，因此TEC工作一段时间后就能把温度控制在设定的值。