CN1296788C - 温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种温度控制系统，其包含有半导体制冷器，热敏电阻，后台控制装置和控制单板，其中，所述的控制单板具体包括：输入输出接口模块，检测模块，温控模块，AD模块，控制模块和DA模块，后台控制装置通过输入输出接口模块将输入的目标温度送至控制模块，检测模块测出热敏电阻采样电压，经AD模块转换得到待测物当前温度后输入到控制模块，控制模块比较目标温度和待测物当前温度，并输出相应的加热或制冷电压值，该电压值通过DA模块转换为模拟量输出到温控模块，该温控模块将控制电流送至半导体制冷器。本发明可达到精确的温度控制，可加热和制冷；响应时间短，使用灵活方便。

Description

温度控制系统

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体来说是一种温度控制系统。

背景技术

温度控制技术，就是人为的通过某种方式将物体的温度控制在需要的程度。现在常用的温度控制技术有半导体制冷、风冷、温箱控温等，相应的器具有半导体制冷器、风扇、温箱等，它们可用来控制器件达到所需温度，下面分别进行介绍。

如图1所示为半导体制冷器的工作原理图，不同金属材料的导线X、Y组成了如图的封闭线路，接上电压后，A点的热量被移到B点，从而导致A点温度降低，B点温度升高，这也就是著名的帕尔贴效应(Peltier effect)。半导体制冷器就是根据这一原理制成的，如图2所示为半导体制冷器的外观图，其上引出有两根导线，当向半导体制冷器输入一个方向的电流时，其上表面发热，下表面制冷；当输入反方向电流时，上表面制冷，下表面发热。通过半导体制冷器的电流大小不同，制冷发热的程度也不同，其可用于不同场合下的温度控制，特别适用于芯片的温度控制。

计算机CPU的温度控制是采用风扇制冷中很典型的例子，其是在CPU的表面加装有较大的散热片，散热片上还固定有风扇。很多计算机还设有温度上报功能，系统能够通过分析芯片上报的温度，调整风扇的转速，从而达到控制芯片温度的目的。

另外，温箱控温应用较广，其可以制造多种温度和湿度环境，在制造需要的温度环境时，将温箱密闭，使其尽量将温箱中的环境和外界环境隔离，这样就能实现对温度或湿度的控制，这种控温方式也比较适合芯片的温度控制。

但是，上述温控技术在应用中有很多的缺点，特别在芯片温度控制时，尤其明显。

具体来说，上述温控技术主要有以下缺点：

1、控制精度差，响应时间长；

2、使用条件受限；

3、一般的温度控制工具只支持单向制冷，而不支持加热；

4、能准确控制温度的测试工具不够灵巧，可操作性差，成本高。

技术内容

针对上述情形，本发明提出了一种可快速调节温度并同时支持加热和制冷的温度控制系统。

本发明的解决方案是这样的：一种温度控制系统，该系统包含有：

半导体制冷器，用于调节待测物温度；

热敏电阻，用于检测待测物温度；

后台控制装置，用于控制和显示；

控制单板，用于对热敏电阻的阻值进行采样计算和控制流经半导体制冷器的电流；

和热敏电阻相连的控制单板接收到后台控制装置的输入指令后进行处理，将控制电流输出至所述的半导体制冷器，并将处理结果输出至所述的后台控制装置。

其中，所述的控制单板具体包括：

输入输出接口模块，用于和所述的半导体制冷器、热敏电阻、后台控制装置连接；

检测模块，用于检测热敏电阻的采样电压；

温控模块，用于控制流经所述的半导体制冷器的制冷电流大小和方向；

AD模块，用于将输入的热敏电阻采样电压值转换为数字量；

控制模块，用于将输入的热敏电阻的采样电压数值进行处理和输出电压值；

DA模块，用于将输入的设定目标温度转换为电压值；

所述的后台控制装置将输入指令通过所述的输入输出接口模块送至所述的控制模块；

而所述的检测模块通过所述的输入输出接口模块和所述的热敏电阻相连，检测出热敏电阻的采样电压值，该热敏电阻的采样电压值通过所述的AD模块转换为数字量输入到所述的控制模块，该控制模块对输入的热敏电阻的采样电压数值进行处理后并输出电压值，该电压值通过所述的DA模块转换为模拟量输出到所述的温控模块，该温控模块将控制电流送至所述的半导体制冷器。

所述的温控模块具体是指由比例积分调节电路、控制电压产生电路、脉冲产生电路及C-MOS开关电路连接组成。

所述的比例积分调节电路具体是指由比例、积分电路结合的电路。

相对现有技术，本发明可达到精确的温度控制，响应时间短，具体来说有以下优点：

1、使用灵活方便；

2、利用硬件设计实现精确的温度控制，同时具备自动反馈控制功能；

3、同时具备加热和制冷两种功能；

4、可通过后台直接控制目标温度，同时可观察调节结果。

下面结合附图说明和具体实现方式来详细介绍本发明。

附图说明

图1是现有技术中半导体制冷器的原理图；

图2是现有技术中半导体制冷器的外观示意图；

图3是本发明结构示意图；

图4是本发明控制单板的模块结构示意图；

图5是本发明的半导体制冷器及热敏电阻使用示意图；

图6是本发明的检测模块电路图；

图7是本发明的DA控制及比例积分调节电路图；

图8是本发明的控制电压产生电路图；

图9是本发明的脉冲产生电路图；

图10是本发明的C-MOS开关电路图。

具体实现方式

图3为本发明的结构示意图，如图所示，本发明包括后台控制装置、控制单板、热敏电阻和半导体制冷器，该后台控制装置、热敏电阻和半导体制冷器与该控制单板连接，其中，如图5所示，利用夹具将热敏电阻和半导体制冷器夹设在待测芯片上，半导体制冷器上还连接有散热水箱。

其是这样工作的，由控制单板对热敏电阻的阻值进行采样计算，得到待测芯片表面的当前温度值，然后该控制单板与从后台控制装置输入的目标温度设定值进行比较，如果芯片的当前温度值比目标温度设定值大，则控制单板对半导体制冷器输出可制冷的电流，对芯片降温；如果芯片的当前温度值比目标温度设定值小，则对半导体制冷器输出可加热的电流，对芯片加热，同时控制单板还将待测芯片表面的当前温度值上报到后台控制装置，这样，就可完成对芯片的温度控制。

如图4所示为本发明控制单板的模块结构示意图，该包括输入输出接口模块，检测模块，温控模块，AD模块，控制模块，DA模块。输入输出接口模块与后台控制装置、热敏电阻、半导体制冷器和控制模块连接。后台控制装置将目标温度值通过输入输出接口模块送至控制模块；而检测模块通过输入输出接口模块和热敏电阻相连，其检测出热敏电阻的采样电压，该热敏电阻的采样电压通过AD模块转换为数字量输入到所述的控制模块，该控制模块对输入的热敏电阻的采样电压数值换算成温度值，与所述的目标温度值对比后，输出一个电压值，该电压值通过所述的DA模块转换为模拟量输出到所述的温控模块，该温控模块将加热或制冷的电流送至所述的半导体制冷器。

如图6所示为本发明的检测模块电路图，其根据热敏电阻和环境温度的线性关系，即温度升高，热敏电阻阻值变大，温度降低，阻值变小，环境温度和热敏电阻阻值一一对应，通过计算热敏电阻当前值就可知道芯片的表面温度。

温控模块由比例积分调节电路、控制电压产生电路、脉冲产生电路及C-MOS开关电路连接组成，电路及连接关系如下：

图7为本发明的DA控制及比例积分调节电路图，其由通常的比例、积分调节电路组成，比例调节速度较快，但存在偏差，单独使用无法做到无静差调节；积分调节的优点是：只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零，但是单纯的积分调节也有它的弱点——它的动作过于迟缓，因而在改善静态准确度的同时往往使调节的动态品质变坏，过渡时间延长，甚至造成系统的不稳定。而采用其结合电路，是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，使本发明能及时准确地调节芯片的温度。如图，电路的左边为电桥，电桥的右边两臂串联了一个固定电阻和上述的热敏电阻，待测芯片温度不同，热敏电阻和固定电阻之间的分压也不同；电桥的左臂接的是DA的输出。如果电桥的左臂和右臂存在压差，则通过后级的运算放大器将该压差放大，利用这个被放大的电压就可以对后面的温控电路进行控制；如果二者没有压差，则表示待测芯片温度和目标温度一致，后级放大电路的输出电压为0，不会对温控电路进行控制。

如图8所示为本发明的控制电压产生电路图，其主要产生控制C-MOS开关电路的电压信号。根据图7的电路，该电路的输入为比例积分调节电路产生的电压信号，当检测到的系统温度比目标温度高时，经过比例积分调节电路作用，送出的电压值为负，表明系统需要制冷；反之，当系统温度比目标温度低，由比例积分调节电路输出的电压值为正，表明系统需要加热。为了防止在加热和制冷切换过程中加热和制冷同时有效，电路中使用了单稳态触发器，可以使制冷或制热电路在起作用前，有一个小的时延，保证同一时刻加热或制冷的动作是单一的。

如图9所示为本发明的脉冲产生电路图，该电路提供控制C-MOS开关电路导通的脉冲电压，从而控制流过半导体制冷器的电流大小，脉冲产生电路使用了脉宽调制芯片产生脉冲信号(约100K)，利用图7电路输出的电压，控制脉宽调制芯片输出脉冲信号的占空比，脉冲信号的占空比直接影响到加热和制冷电流的大小，起到控制电流大小的作用。

图10为本发明的C-MOS开关电路图，其主要为半导体制冷器提供驱动电流。加热时Q1、Q2、Q6受相应的电平控制导通，而Q3、Q4和Q5截止，Q7在加热或制冷时都保持导通状态。由于P沟道场效应管和N沟道沟道场效应管消耗的功率只占极少一部分，绝大部分都加在制冷负载上，半导体制冷器的等效负载为3～4欧，温控电路使用12V的电压，则流过制冷器的电流可以达到3A。

Claims (7)

1、一种温度控制系统，其特征在于，该系统包含有：

半导体制冷器，用于调节待测物温度；

热敏电阻，用于检测待测物温度；

后台控制装置，用于控制和显示；

控制单板，用于对热敏电阻进行采样计算和控制流经半导体制冷器的电流；

其中，所述控制单板设置有温控模块，所述温控模块用于控制流经所述的半导体制冷器的制冷电流大小和方向；和热敏电阻相连的控制单板接收到后台控制装置的输入指令后进行处理，由温控模块将控制电流输出至所述的半导体制冷器，并将处理结果输出至所述的后台控制装置。

2、如权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的控制单板具体包括：

输入输出接口模块，用于和所述的半导体制冷器、热敏电阻、后台控制装置连接；

检测模块，用于检测热敏电阻的采样电压；

AD模块，用于将输入的热敏电阻采样电压值转换为数字量；

控制模块，用于将输入的热敏电阻的采样电压数值进行处理和输出电压值；

DA模块，用于将输入的设定目标温度转换为电压值；

所述的后台控制装置将输入指令通过所述的输入输出接口模块送至所述的控制模块；

而所述的检测模块通过所述的输入输出接口模块和所述的热敏电阻相连，检测出热敏电阻的采样电压值，该热敏电阻的采样电压值通过所述的AD模块转换为数字量输入到所述的控制模块，该控制模块对输入的热敏电阻的采样电压数值进行处理后并输出电压值，该电压值通过所述的DA模块转换为模拟量输出到所述的温控模块，该温控模块将控制电流送至所述的半导体制冷器。

3、如权利要求2所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的温控模块具体是指由比例积分调节电路、控制电压产生电路、脉冲产生电路及C-MOS开关电路连接组成。

4、如权利要求3所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的比例积分调节电路具体是指由比例、积分电路结合的电路。

5、如权利要求3所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的控制电压产生电路具体用于产生控制所述C-MOS开关电路的电压信号，其包含有可产生时延的单稳态触发器。

6、如权利要求3所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的脉冲产生电路具体用于产生控制所述C-MOS开关电路导通的脉冲电压信号。

7、如权利要求3所述的一种温度控制系统，其特征在于，所述的C-MOS开关电路是为所述的半导体制冷器提供驱动电流。

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