CN1601423A

CN1601423A - 多点智能温控方法及温控多通道光辐射标准探测器

Info

Publication number: CN1601423A
Application number: CN 200410064659
Authority: CN
Inventors: 李照洲; 郑小兵; 吴浩宇
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: CN1308782C

Abstract

本发明涉及基于数字温度传感器的多点智能温控方法及温控多通道光辐射标准探测器。本发明的温控多通道光辐射标准探测器由多通道光辐射标准探测器、多个智能数字温度传感器DS18B20、单片机AT89C55WD、D/A转换器AD7248A、大电流驱动电路OPA548、半导体热电致冷器Peltier、2×2键盘、RS232C接口及真空荧光显示屏VFD组成。通过采用多个智能数字温度传感器直接实时获取多通道光辐射标准探测器的多个测控点的温度数字量信息，利用单片机微处理器基于PID算法处理得到温度控制量，该温控量再通过D/A输出至半导体热电致冷器Peltier，从而实现了全数字化的智能型高精度温度控制；本发明温度控制精度高，效率高，功耗低。

Description

多点智能温控方法及温控多通道光辐射标准探测器

技术领域

本发明属于高精度光辐射定标之标准探测器温度控制技术领域。

背景技术

高精度辐射定标技术是现代空间遥感的主要支撑技术之一。基于滤光片辐射计的新型多通道光辐射标准探测器在野外、机载和星上高精度辐射定标中具有广阔的应用前景。在工程应用中，温度特性是影响标准探测器绝对精度和稳定性的一项关键因素。因此，需要对光辐射标准探测器进行精密温度控制。(李照洲，郑小兵，吴浩宇等《高精度光谱辐射标准探测器的温度特性研究》光学学报第24卷第2期 2004年2月)

到目前为止，对光辐射标准探测器的多点分布式温度控制，通常都是采用模拟技术进行温度控制的，主要由模拟温度传感器、三极管、循环水温控腔及电加热炉丝组成。其温控原理是：光辐射标准探测器置于循环水温控腔中，通过模拟温度传感器(热电偶、热敏电阻等)，将测得的标准探测器的温度量转换为模拟电压信号，该模拟电压信号反馈给三极管，通过三极管控制电加热炉丝的电流或电压，来对循环水温控腔中的水温进行控制，进而实现对标准探测器的温度控制。

上述采用模拟技术对光辐射标准探测器进行温度控制的方法，存在诸多不足之处：

其一，测温元件采用模拟温度传感器(如热电偶、热敏电阻等)，为了获得较高的测温精度，就必须采取很好的措施来解决由于长线传输、多点测量切换及放大电路零点漂移这三个主要的误差源所导致的测量误差。而对上述测量误差的很好解决往往需要采用复杂的补偿电路，花费较长的开发周期和较高的费用来实现。

其二，控制过程是简单的负反馈过程，只能应付线性的温度变换。当系统中出现非线性的温度变换过程，以及发生瞬态的温度干扰时，不具备灵敏的温度响应能力和有效的处理能力。因此，温度波动较为明显，精度难以提高。

其三，光辐射标准探测器的温控是通过控制其外部循环水温控腔的温度来实现的，而不是对其直接进行温控的。这就使得系统功耗增大，大多数功耗浪费在了体积较大的循环水温度腔上，效率较低；而且，整个温控系统体积和重量较大。这严重束缚了标准探测器在野外、机载和星载光辐射定标中的工程实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服光辐射标准探测器的采用模拟温度控制方法的上述缺陷，提出一种基于数字温度传感器的多点智能温度控制方法及温控多通道光辐射标准探测器。它具有高效率、低功耗，控温精度高，可实时监测温度突高的特点，能同时实现多点温度测控和实时显示，同时具有友好的人机接口以及与上位PC机间串行通讯的功能，整套系统成本较低、结构紧凑。

本发明的技术方案如下：

多点智能温控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在多通道光辐射标准探测器内的多个温度测控点设置多个数字温度传感器，直接实时采集各温度测控点的当前温度数字量信号；(2)、温度数字量信号经单片机串口被送入单片机微处理器内，通过固化在微处理器内的PID控制算法的数据处理，得到用于调节温度的正负温度控制量；(3)、该正负温度控制量经D/A转换器作模—数转换后，输出或正或负的温控电压模拟量；(4)、该温控电压模拟量经电流驱动电路后，加载至安装在多通道光辐射标准探测器上的半导体热电致冷器上，实现加热或致冷操作，这样最终实现对多通道光辐射标准探测器的精密温度闭环控制。

温控多通道光辐射标准探测器，其特征在于包括多通道光辐射标准探测器，探测器上固定安装有半导体热电致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20，半导体热电致冷器上安装有散热片，数字温度传感器的信号线相互平联，接入数字式智能控温电路，该控温电路包括固化有PID控制算法的微处理器AT89C55WD，与微处理器相连的12位D/A转换器AD7248，D/A转换器AD7248信号输出接入电流驱动电路OPA548，电流驱动电路OPA548信号输出接入多路模拟开头，模拟开关信号接入半导体热电致冷器Peltier。

所述的半导体致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20固定安装在标准探测器上，采用导热硅胶粘接，标准探测器与温度传感器以及Peltier之间用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接。

所述的半导体致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20固定安装在标准探测器上，是采用夹具固定连接，而且标准探测器与温度传感器以及Peltier之间均匀涂抹导热硅胶。

所述的多通道光辐射标准探测器含有多个标准探测器，每个标准探测器内的数字温度传感器DS18B20相互并联独立寻址串行接入单片机，在多个标准探测器上的半导体致冷器Peltier相互并联接入多路模拟开关CD4066。

本发明的特点及效果：本发明通过采用多个智能数字温度传感器直接获取多点温度的数字量信息，利用单片机微处理器基于PID算法处理得到温度控制量，该温控量再通过D/A输出至半导体热电致冷器Peltier，从而实现了全数字化的智能型高精度温度控制；本方法可实时监测温度突变，因此可对温度突变产生灵敏的反映，并同时输出显示异变温度值，以了解突变情况，有效防止温度突变。本发明的温控多通道光辐射标准探测器的温度控制精度高，效率高，功耗低，同时具有便利的外部处理器的数据输入输出功能及良好的人机交互接口。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的工作原理框图。

图3为本发明的电连接原理图。

图4为本发明的具体实施方式工作流程图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3、图4。

本发明的温控多通道光辐射标准探测器实施例总体结构如图1所示，包括：多通道光辐射标准探测器1，固定在标准探测器上面的多个数字温度传感器DS18B20 2，与标准探测器相连的半导体热电致冷器Peltier 3，散热器4，与数字温度传感器输出端相连的智能温控电路以及人机接口电路。

本实施的标准探测器与多个DS18B20温度传感器之间以及标准探测器与Peltier之间都必须保持良好的钢性热接触，这样才能达到理想的控温效果。实际连接中可以采用导热硅胶粘接或采用夹具连接的方式。当采用粘接方式时，标准探测器与温度传感器以及Peltier之间可用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接；当采用夹具连接时，标准探测器与温度传感器以及Peltier之间都需要均匀涂抹导热硅胶，以降低接触面的热阻。

本实施的多通道光辐射标准探测器，是一个含有多个光谱通道，用于光辐射绝对测量的科学计量级高精度仪器。

如图2和图3所示，本发明的基于数字温度传感器的多点智能温控方法及温控多通道光辐射标准探测器，包括固定安装在多通道光辐射标准探测器上的多个数字式温度传感器DS18B20、Peltier半导体致冷器，AT89C55WD单片机、2×2键盘、RS232C接口及VFD(真空荧光显示屏)组成。多通道光辐射标准探测器、DS18B20、单片机、AD7248、OPA548大电流驱动电路和Peltier半导体致冷器共同组成了一个负反馈控制闭环。DS18B20、半导体热电致冷器Peltier均为多组，相互并联。

本实施例的测温元件采用的是一线式智能数字温度传感器DS18B20。它是美国DALLAS公司采用单总线技术生产的一种新型数字温度传感器。所谓单总线技术是将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，实现在一根数据线上进行双向数据传输，最大限度的减少信号线的数量。这类温度传感器的输入输出都为数字信号，且以串行方式与外部连接，使系统抗干扰能力得以提高，可以很方便地集成到微处理器应用系统中，简化系统设计。而且，它很好的解决了常用的采用模拟温度传感器时所遇到的长线传输、多点测量切换及放大电路零点漂移等技术难题。

本发明采用AT89C55WD单片机作为其控制核心单元。温度传感器DS18B20、D/A的输出量、RS232串口、键盘以及VFD实时显示各模块的正常运行都直接受该单片机的指令控制。AT89C55WD是ATMEL公司生产的MCS51系列兼容单片机，它内部具有256字节RAM，20K的Flash存储器，带有片上硬件看门口狗。为了使软件具有较好的可读性，以便于系统后期维护，本发明摒弃了传统的汇编语言，选用高级语言C51。本发明通过单片机中固化的温度控制算法，来计算得到D/A应输出的温度控制量。其中，温控算法采用了增量式PID和Bang-Bang控制(即全功率加热或致冷)相结合的温度控制算法。

本发明中用于加热或致冷操作的器件采用了半导体热电致冷器Peltier，它是基于Peltier效应的多对热电致冷对在电气上串联、在热传导上并联组成的。通过改变加在器件上的直流电的极性即可变致冷为加热，而吸热或放热率则正比于所加直流电流的大小。由于Peltier既可实现加热又可进行致冷，且体积小巧，使用简捷方便，特别适合于小热量和受空间限制的精密仪器仪表的温度控制。

本发明中采用的数模转换器D/A是美国Analog Devices公司(AD)的AD7248A。这是一种带有片上内置输出放大器和基准电压源的12位高精度低功耗并行DAC，工作在双极性供电模式下，以产生±5V的输出电压。由于Peltier满功率工作时所需电流达3.9A之大，D/A直接输出的温控模拟电压量，其电流远不能满足该要求，为此在D/A和半导体致冷器之间引入了大电流驱动—OPA548。OPA548是Burr-Brown公司的大电流驱动集成芯片，它可以提供最大达到5A的驱动电流，能够满足系统设计需要。

本发明的人机接口部分主要包括三部分：2×2键盘，高亮度真空荧光显示屏(VFD)，RS232C串口。其中，键盘用于设定或更改温控系统的恒温设定值。VFD用于实时显示多通道光辐射标准探测器中各个温度测控点的当前温度值。RS232C串口的存在，使温控系统既可将历史温度或其它数据送入上位PC机中又可以通过该接口实现与其它微处理器之间交换数据。

本发明除了在电路设计中采用单点接地、和电路屏蔽技术外，还加上了复位电路，来检测单片机的运行情况，一旦发现单片机出现“死机”现象，复位电路能及时发出复位脉冲，使程序恢复正常运行，从而大大提高了系统的抗干扰能力。

本发明中所采用的温控算法是增量式PID控制与Bang-Bang控制相结合的控制算法。离散PID(Proportion Integral Differential)控制器算法，就是同时具有比例、积分、微分控制作用的控制器，在自动控制系统中，尤其是对于滞后较大的控制对象，如温度的控制中，应用非常广泛。其控制方程由下式表示：

u (k) = K [e (k) + \frac{T_{0}}{T_{I}} Σ_{i = 0}^{k} e (i - 1) + \frac{T_{D}}{T_{0}} [e (k) - e (k - 1)]]

式中：u(k)——控制器的温控量输出；

e(k)——偏差值；

K——比例系数；

T₁——积分系数；

T_D——微分系数；

T₀——采样时间。

为了减少存储空间的开销，便于计算机的实现，对离散PID控制器可进而采用递推算法得到以下更为简介的递推式。

u(k)＝u(k-1)+q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)

其中，

q_{0} = K (1 + \frac{T_{D}}{T_{0}}),

q_{1} = - K (1 + 2 \frac{T_{D}}{T_{0}} - \frac{T_{0}}{T_{I}}),

q_{2} = K \frac{T_{D}}{T_{0}} .

采用上式编程，即可在单片机中通过软件实现温控量的PID控制器的自动增量调节作用。

本发明的温控方法的实时流程如图4所示，首先，固化在单片机中的控制软件通过VFD(真空荧光显示屏)提示用户输入温控对象的恒温设定值T，并自动完成系统初始化工作。接着，控制软件向数字温度传感器DS18B20发送温度读取指令，读取温控对象的当前温度值Ts。然后，计算Ts-T，得到Ts与T的差值，系统根据该差值的大小，自动选用PID控制或Bang-Bang控制算法之一，计算得到当前温度控制数字量。温度控制数字量经12位D/A转换器AD7248A输出为模拟电压量，该电压信号被送入OPA548大电流驱动电路，以提高其电流驱动能力。OPA548所输出的大电流驱动信号最后加到半导体致冷器Peltier上，进而对温控对象进行加热或致冷。加热或致冷取决于Peltier上所加电压的正负，若温控对象当前温度值与系统恒温设定值的差值为正，则控制软件输出负信号，Peltier上加载负电压，温控对象温度度减小；反之，Peltier上加载正电压，温控对象温度升高。上述温控对象当前温度采样—温差计算—PID调节—控制量驱动输出的过程周而复始地循环，从而将温控对象的温度控制在设定值附近上下波动，随着循环次数的增加，波动幅度会逐渐减小到某一小量，该小量即为控温精度。

本发明可实现对多个温度测量点的高精度实时测量和显示，并可通过键盘输入温控系统的设定温度，继而通过单片计中固化的PID控制算法实现精密恒温控制。系统具有体积小、结构简单、成本低、精度和可靠性高等特点，非常适合于高精度科学级仪器仪表的精密温控，具有广泛的应用前景。

Claims

1.多点智能温控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在多通道光辐射标准探测器内的多个温度测控点设置多个数字温度传感器，直接实时采集各温度测控点的当前温度数字量信号；(2)、温度数字量信号经单片机串口被送入单片机微处理器内，通过固化在微处理器内的PID控制算法的数据处理，得到用于调节温度的正负温度控制量；(3)、该正负温度控制量经D/A转换器作模-数转换后，输出或正或负的温控电压模拟量；(4)、该温控电压模拟量经电流驱动电路后，加载至安装在多通道光辐射标准探测器上的半导体热电致冷器上，实现加热或致冷操作，这样最终实现对多通道光辐射标准探测器的精密温度闭环控制。

2.温控多通道光辐射标准探测器，其特征在于包括多通道光辐射标准探测器，探测器上固定安装有半导体热电致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20，半导体热电致冷器上安装有散热片，数字温度传感器的信号线相互平联，接入数字式智能控温电路，该控温电路包括固化有PID控制算法的微处理器AT89C55WD，与微处理器相连的12位D/A转换器AD7248，D/A转换器AD7248信号输出接入电流驱动电路OPA548，电流驱动电路OPA548信号输出接入多路模拟开头，模拟开关信号接入半导体热电致冷器Peltier。

3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于半导体致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20固定安装在标准探测器上，采用导热硅胶粘接，标准探测器与温度传感器以及Peltier之间用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接。

4.根据权利要求所述的探测器，其特征在于半导体致冷器Peltier、多个数字温度传感器DS18B20固定安装在标准探测器上，是采用夹具固定连接，而且标准探测器与温度传感器以及Peltier之间均匀涂抹导热硅胶。

5.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述的多通道光辐射标准探测器含有多个标准探测器，每个标准探测器内的数字温度传感器DS18B20相互并联独立寻址串行接入单片机，在多个标准探测器上的半导体致冷器Peltier相互并联接入多路模拟开关CD4066。