CN105353804A - 高精度多通道温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度多通道温控系统，包括温度采集模块、PID模块、制冷模块、MUC控制模块和PWM输出控制模块，所述温度采集模块包含至少两组NTC热敏电阻，所述制冷模块包含至少两组TEC制冷器，所述TEC制冷/热器与NTC热敏电阻一一对应，所述NTC热敏电阻安装在激光器的不同部位，多个NTC热敏电阻可以安装在激光器的不同部位，感应不同部位的温度变化，MCU模块、PID模块、PWM输出控制电路可以对每个NTC热敏电阻的温度变化进行独立处理后输送对应的TEC制冷/热器，各个制冷器根据对应热敏电阻的温度变化独立制冷或者制热，可以实现同一时刻对激光器不同部位既制冷又制热，也可以同一部位在不同时刻进行制冷或加热，对激光器的每个部位实现精准的温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及激光机温度控制领域，尤其涉及一种具有多个温度通道，且对激光机大范围进行高精度控制的温控系统。
背景技术
半导体激光器以其效率高、体积小、重量轻、价格低廉等特点在军事、医疗、通讯等领域发挥着无可替代的作用。由于此类激光器工作时需要保持高稳定的恒温状态来确保它的输出功率和波长，使激光器更加稳定。所以设计高集成度、体积小、高稳定度的温度控制系统成为亟待解决的问题。
现在市场的激光器的温控系统多为单通道的系统，如授权公告CN103076827A的专利文件公开了一种小范围内高精度温度控制装置，包括用于采集控温对象的温度采集模块、用于控制控温对象温度的温度制模块，所述温度采集模块为NTC热敏电阻，所述温度控制模块包括PID控制器、TEC驱动芯片和TEC制冷片；所述NTC热敏电阻采集控温对象进行温度采集后，将采集的温度信息输出给PID控制器，PID控制器对输入的温度信息和设定的温度信息进行数据处理后，输出控制信号给TEC驱动芯片，TEC驱动芯片输出温度控制信号给TEC制冷片，TEC制冷片对控温对象进行加热或者制冷。
该通过PID电路的调节，最终使小范围内的温度与设定的温度相同，并一直保持稳定，并且温度控制的速度快和精确；但是该系统只有一个热敏电阻，而激光器的不同部位温度变化不同，且不同的部位温度控制需求也不同，有的部位需要加热，有的部位需要降温，该系统在同一时刻，只能进行加热或者降温，无法同时既加热又制冷，且只能进行小范围的温度控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多通道，高精度的激光器温度控制系统，该温度控制系统在同一时刻既可制冷也可制热。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种高精度多通道温控系统，包括温度采集模块、PID模块、制冷/制热模块、MCU控制模块和PWM输出控制模块，所述温度采集模块包含至少两组NTC热敏电阻，所述制冷模块包含至少两组TEC制冷/热器，所述TEC制冷器与NTC热敏电阻对应，所述NTC热敏电阻安装在激光器的不同部位，所述温度采集模块与MCU控制模块连接，所述PID模块分别与MCU控制模块和PWM输出控制模块连接，所述PWM输出控制模块与TEC制冷/热器连接。
多个NTC热敏电阻可以安装在激光器的不同部位，感应不同部位的温度变化，MCU模块、PID模块、PWM输出控制电路可以对每个NTC热敏电阻的温度变化进行独立处理后输送对应的TEC制冷/制热器，各个制冷器根据对应热敏电阻的温度变化独立制冷或者制热，可以实现同一时刻对激光器不同部位既制冷又制热，也可实现对激光器同一部位不同时候进行加热或制冷，以实现对激光器的每个部位实现精准的制冷或者制热。
作为优选，还包括通信模块，所述通信模块包含一个485转换芯片，所述通信模块将UART信号转换为485通讯电平信号，所述通信模块与MCU控制模块连接。通过通讯模块连接观测设备，可是实现对系统运行状态的观测。
作为优选，所述MCU控制模块为ARM处理器，所述PID模块设置在ARM处理器上。通过ARM处理器的ADC引脚,可以连接多个NTC热敏电阻，处理速度快，TEC制冷/制热器响应快，精度高，ARM处理器可以处理高精度的NTC热敏电阻的微小温度变化。
作为优选，所述PID模块计算出NTC热敏电阻的输出电压，转换为PWM信号的占空比，然后将该占空比的PWM信号给PWM驱动芯片,PWM驱动芯片驱动对应的MOS管，输出该占空比的PWM信号给MOS管，MOS管按PWM驱动芯片输出的频率及占空比通断，调整与MOS对应的TEC制冷器输出。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的中温度采集模块中NTC热敏电阻通道与ARM处理器的连接电路图；
图3为本发明中通讯模块的电路图；
图4为本发明中PWM输出控制模块中与图2热敏电阻相对应通道的电路图。
具体实施方式
本发明中的温控系统采用四通道控制系统，既采用四个热敏电阻，MCU控制模块采用ARM处理器，PID模块设置在ARM芯片上，上述技术特征并不对本发明的保护范围起限定作用，以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，四路NTC热敏电阻将温度信号转化为模拟电信号，模拟电信号经过MCU控制模块上的AD转化模块转化为数字信号，数字信号经过PID模块后转化为对应通道的PWM信号的占空比，然后将该占空比的PWM信号输送给对应通道的PWM输出控制模块，PWM输出控制模块输出电压信号给对应通道的TEC制冷/制热器，通过通讯模块可以连接外围观测设备，如显示屏，实现对整个系统运行状态的观测，且系统配置模块可以通过通讯模块将信号输送给MCU控制模块，对系统进行配置，设置系统运行系数，系统配置模块也可以直接与MCU控制模块连接。
热敏电阻NTC0通道的温度采集电路如图2所示，NTC0的两端分别与节点J41和节点J42连接，节点J41和分压电阻R104与3.3V电压连接，节点J41通过电路R107与ARM处理器的ADC引脚PTB7连接，节点J42接地，两个节点之间还连接一个电容C111，其中R104的阻值为10KΩ，R107的阻值为1KΩ。其余的热敏电阻分别对应ARM处理器相应的引脚，NTC2与ARM处理器的连接电路与NTCO通道基本相同，NTC1、NTC3通道与ARM的连接电路与NTC0通道的不同在于分压电阻的阻值为4.87KΩ，以适应不同温度采集范围NTC。
通过ARM处理器的ADC引脚,可以连接多个NTC热敏电阻，通过ARM处理器可以对NTC热敏电阻的温度变化进行一一独立处理，且处理速度快，TEC制冷/热器响应快，精度高，ARM处理器可以处理高精度的NTC热敏电阻的微小温度变化。
通讯模块的电路如图3所示，ARM处理器的串口通信引脚PTB17和PTB16分别通过200Ω的电阻与MAX3485芯片的RO和DI引脚连接，引脚PTB7通过200Ω的电阻与MAX3485芯片的和引脚和DE端连接，引脚和DE通过10KΩ的电阻R321接地，MAX3485芯片的引脚VCC连接3.3V的电压，引脚DI通过10K的电阻与3.3电压连接，引脚VCC与电线之间还设有一个0.1uP的电容，MAX3485芯片的引脚A、B分别通过瞬态电压保护二极管SDO5C与地线连接，通过引脚A、B可以连接对外围设备。
PWM输出控制模块控制四路TEC的输出电压，每一路的功能实现如下：运算器通过PID模块计算出当前通道NTC热敏电阻的输出电压，转换为指定频率PWM信号的占空比，通过对应的PWM输出通道输出相应占空比的PWM信号给PWM驱动芯片，PWM驱动芯片驱动对应的MOS管，输出对应的占空比PWM信号给MOS管，MOS按PWM驱动芯片输出的频率及占空比通断，实现快速调整相应通道的TEC制冷/热器的输出，达到快速温控的目的。
图4为与热敏电阻NTC0通道对应的PWM输出控制电路图,ARM处理器的PE7脚通过1KΩ的电阻连接型号为IR-21844的PWM驱动芯片的SD－脚，SD－脚通过一电阻接地，引脚PE7引脚用于控制PWM驱动芯片的使能功能，低电平使能输出，高电平PWM驱动芯片不输出；ARM的PCT0引脚通过电阻R436连接PWM驱动芯片的IN脚，用于给PWM驱动芯片的PWM信号输入功能；PWM驱动芯片的HO和VS脚连接上MOS管T21的G和S极，PWM驱动芯片的LO脚连接下MOS管T22的G极，当HO输出高时T21导通，LO将同时输出低，保证T22不导通，此时向TEC输出指定电压，当HO输出低，LO输出高时，T21不导通，T22导通，通过T22快速将L21中储存的能量释放；L21和C194为LC电路，将MOS管输出的方波信号转换为直流电压，输出给TEC。F7为保险管，用于过流保护。热敏电阻NTC1、2、3通道对应的PWM输出控制电路与NTC0通道基本相同，分别对应ARM芯片的对应引脚。
综上，多个NTC热敏电阻可以设置在激光器的不同部位，感应不同部位的温度变化，ARM处理器、PID模块、PWM输出控制电路可以对每个NTC热敏电阻的温度变化进行独立处理后输送对应的TEC制冷/热器，各个制冷器根据对应热敏电阻的温度变化独立制冷或者制热，可以实现同一时刻既制冷又制热，对激光器的每个部位实现精准的制冷或者制热，且采用ARM处理器不仅响应速度快，且可以处理高精度的热敏电阻的微小温度变化。通过通讯模块连接观测设备，可是实现对系统运行状态的观测，系统配置模块可以设置整个系统的运行参数，配置不同的工作状态，通过J41、J42等节点，可以连接不同的负载，增加该系统的适用性。
Claims (5)
1.一种高精度多通道温控系统，包括温度采集模块、PID模块、加热/制冷模块，其特征在于：还包括MCU控制模块、PWM输出控制模块，所述温度采集模块包含至少两组NTC热敏电阻，所述加热/制冷模块包含至少两组TEC制冷/热器，所述TEC制冷器与NTC热敏电阻一一对应，所述NTC热敏电阻安装在激光器的不同部位，所述温度采集模块与MCU控制模块连接，所述PID模块分别与MCU控制模块和PWM输出控制模块连接，所述PWM输出控制模块与TEC制冷/热器连接。
2.根据权利要求1所述的高精度多通道温控系统，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块包含一个485转换芯片，所述通信模块将UART信号转换为485通讯电平信号，所述通信模块与MCU控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的高精度多通道温控系统，其特征在于：还包括一个系统配置模块，所述系统配置与通信模块连接。
4.根据权利要求1所述的高精度多通道温控系统，其特征在于：所述MCU控制模块为ARM处理器，所述PID模块为运行在ARM处理器上的计算机子程序。
5.根据权利要求4所述的高精度多通道温控系统，其特征在于：所述PID模块计算出NTC热敏电阻的输出电压，转换为PWM信号的占空比，然后将该占空比的PWM信号给PWM驱动芯片,PWM驱动芯片驱动对应的MOS管，输出该占空比的PWM信号给MOS管，MOS管按PWM驱动芯片输出的频率及占空比通断，调整与MOS对应的TEC制冷/热器输出。
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