CN209265296U - 一种tec温控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种TEC温控装置,属于温控技术领域,包括温度采集电路、微处理器、全桥电路以及整流滤波电路;温度采集电路输出端与微处理器输入端连接;微处理器输出端与全桥电路输入端连接,全桥电路输出端与整流滤波电路连接,整流滤波电路输出端连接TEC制冷片。本实用新型基于精确温度采集、PWM原理和位置式PID控制,使装置温控精度和温度均匀性均能达到0.01℃,可适用于对控温精度要求高的场合。

Description

一种TEC温控装置
技术领域
本实用新型涉及温控技术领域,特别涉及一种TEC温控装置。
背景技术
传统的TEC温控装置即半导体制冷片控制器采用液晶数码显示组合按键的方式,或者通过计算机下发及上传数据的方式实现人机交互,参数设置和显示内容单一,携带计算机操作不便等缺点。而且,TEC驱动电路一般采用专用的PWM驱动方式的TEC驱动芯片或者分立元件硬件电路,TEC驱动芯片价格高昂,分立元件硬件电路复杂且可靠性低;TEC温控装置的主控芯片采用单片机,工作频率低、资源单一且不易扩展;温度获取采用工业级NTC热敏电阻,采集精度不足。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种TEC温控装置,以实现TEC温控装置的温度的精确采集。
为实现以上目的,本实用新型采用一种TEC温控装置,包括温度采集电路、微处理器、全桥电路以及整流滤波电路;
温度采集电路输出端与微处理器输入端连接;微处理器输出端与全桥电路输入端连接,全桥电路输出端与整流滤波电路连接,整流滤波电路输出端连接TEC制冷片。
进一步地,所述温度采集电路包括四通道运算放大器OPA4340和温度传感器,四通道运算放大器OPA4340包括运算放大器U10A、运算放大器U10B、运算放大器U10C和运算放大器U10D,所述温度传感器采用三线制PT100;
U10C的正向输入端与参考基准源连接,输出端经分压电阻连接到U10A正向输入端,U10A输出端与PT100连接为PT100提供激励源;
三线制PT100输出端分别连接U10D的正向输入端和U10B的正向输入端,U10D的输出端连接U10B的反向输入端,与为其提供校正信号,U10B的输出端连接所述微处理器。
进一步地,在所述温度采集电路和所述微处理器之间还设置有差分放大电路,该差分放大电路包括所述U10B、电阻R33、R40、R41、R49、R50和电容C59、C61;
电阻R33一端接在所述U10A输出端,电阻R33另一端接电阻R40,电阻R40两端依次并联电阻R41和电容C59,电容C59一端接所述U10B的正向输入端;
电阻R49一端接所述U10D的输出端,电阻R49另一端接所述U10B的反向输入端,电阻R50和电容C61并联,且并联后两端分别接入电阻R49另一端和所述U10B的输出端。
进一步地,所述全桥电路包括H桥上半桥驱动电路、H桥下半桥驱动电路、H桥上半桥功率驱动管和H桥下半桥功率驱动管;
H桥上半桥驱动电路和H桥下半桥驱动电路的输入端均与所述微处理器输出端连接,H桥上半桥驱动电路的输出端与H桥上半桥功率驱动管连接,H桥下半桥驱动电路的输出端与H桥下半桥功率驱动管连接。
进一步地,所述H桥上半桥功率驱动管还连接有过流检测电路。
进一步地,所述整流滤波电路包括H桥上半桥LC滤波电路和H桥下半桥LC滤波电路;
H桥上半桥LC滤波电路输入端与所述H桥上半桥功率驱动管输出端连接;
H桥下半桥LC滤波电路与所述H桥下半桥功率驱动管输出端连接。
进一步地,所述微处理器输出端还经通讯电路连接一显示输入设备。
进一步地,所述显示输入设备为电阻式触摸屏。
与现有技术相比,本实用新型存在以下技术效果:本实用新型采用H桥驱动芯片构建全桥电路,解决死区由单片机设置的问题;温度采集电路采用恒压源经过运算放大器形成恒流激励源加载到温度传感器;采用全桥平衡电路,获取温度变化的差分电压信号,经过整流滤波电路进行放大,解决精确温度的采集的问题。
附图说明
下面结合附图,对本实用新型的具体实施方式进行详细描述:
图1是一种IEC温控装置的结构示意图;
图2是温度采集电路结构示意图;
图3是三线制PT100电路连接拓扑图;
图4是电压校正电路图;
图5是电压基准源电路拓扑图;
图6是全桥电路和滤波电路连接示意图;
图7是全桥电路和滤波电路拓扑图;
图8是RS232通讯电路拓扑图;
图9是STM32F103ZET6芯片结构图。
具体实施方式
为了更进一步说明本实用新型的特征,请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用,并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。
参阅图1所示,本实施例公开了一种TEC温控装置,包括:温度采集电路10、微处理器30、全桥电路40以及整流滤波电路50;
温度采集电路10输出端与微处理器30输入端连接;
微处理器30输出端与全桥电路40输入端连接,全桥电路40输出端与整流滤波电路50连接,整流滤波电路50输出端连接TEC制冷片60。
本实施例中温度采集电路10用于实时监测被测物体温度,输入至微处理器30,微处理器30输出相应的电压信号至全桥电路40,全桥电路40获取温度变化的电压信号,经过整流滤波电路50进行放大,解决精确温度的采集的问题。
进一步地,参阅图2至图3所示,所述温度采集电路包括电阻温度探测器、电阻R45、电阻R46和电阻R39;所述电阻温度探测器RTD采用补偿三线制PT100,与四通道运算放大器OPA4340连接,四通道运算放大器OPA4340包括运算放大器U10A、运算放大器U10B、运算放大器U10C和运算放大器U10D;U10C的正向输入端与参考基准源连接,输出端经分压电阻连接到U10A正向输入端,U10A输出端与PT100连接为PT100提供激励源;三线制PT100输出端分别连接U10D的正向输入端和U10B的正向输入端,U10D的输出端连接U10B的反向输入端,与为其提供校正信号,U10B的输出端连接所述微处理器。
其中:参考基准源产生的直流2.5V的基准电压输入到运算放大器的四分之一U10C正向端,由U10C缓冲后,经过电阻网络分压,其输出连接输入到U10A,U10A的输出级连接到PT100的信号线1,为PT100提供激励电流;运算放大器U10D作为信号校正电路,为三线制PT100提供校正信号,可补偿PT100公共端的两根引线(信号线1和信号线2之间)电阻产生的误差。
激励电流在PT100产生电压,由放大器四分之一U10B将电压变化放大46倍,产生3.2V的电压范围。U10B的输出端连接到微处理器的模拟信号输入端。电压基准源MA6126产生2.5V电压基准源,经过U10C运算放大器做跟随缓冲后,输出连接到R31和R39组成的电阻网络。输出恒压源U10A和电阻R45和R46输出恒流信号至PT100信号线1。PT100信号线2连接到U10D正相输入端,经过R49做补偿,输出到U10B的反向输入端,PT100信号线1输出连接到R33,R40,R41和C59信号调理和滤波后输入到U10B正相输入端。
具体地,在温度采集电路中:电阻温度探测器的第一输入引脚与所述U10A的输出端连接;电阻温度探测器的第二输入引脚依次连接电阻R45和电阻R46的一端,电阻R45和电阻R46并联连接,电阻R46的一端接所述U10A的反向输入端,电阻R45的另一端和电阻R46的另一端连接后接入电阻R39一端,电阻R39另一端接所述U10A的正向输入端;电阻温度探测器的第三输入引脚与所述U10D的正向输入端连接。
进一步地,参阅图4至图5所示,运算放大器的四分之一U10C作为恒压源电路,其正向输入端接电压基准源电路,电压基准源电路包括电压基准源MAX6126,电压基准源MAX6126的引脚1和引脚7之间依次串联电容C65和电容C68,引脚2串联电容C66后接地,引脚3和引脚4均接地;引脚6与引脚7连接后接U10C正向输入端,引脚2接有5V电源。
其中,电压基准源采用MAX6126,产生2.5V直流电压基准源,运算放大器U10B做电压跟随器以缓冲基准电压,基准电压经过电阻分压得到0.099V恒压并加载到运算放大器U10C正向输入端,由运算放大器的特性,0.099V经过电阻产生激励电流源1.2mA,进而加载到RTD一端,由温度引起电阻变化,进一步产生电压的变化。
进一步地,如图3所示,在所述温度采集电路和所述微处理器之间还设置有差分放大电路,该差分放大电路包括所述U10B、电阻R33、R40、R41、R49、R50和电容C59、C61;
电阻R33一端接在所述U10A输出端,电阻R33另一端接电阻R40,电阻R40两端依次并联电阻R41和电容C59,电容C59一端接所述U10B的正向输入端;
电阻R49一端接所述U10D的输出端,电阻R49另一端接所述U10B的反向输入端,电阻R50和电容C61并联,且并联后两端分别接入电阻R49另一端和所述U10B的输出端。
本实施例中,采用恒压源经过运算放大器形成恒流激励源加载到电阻温度探测器;经差分放大电路对温度采集电路10输出的电压信号进行放大。具体为:通过运算放大器U10A做46.55倍的信号放大,将电压信号放大到0.1~3.3V之间满足微控制器STM32的AD输入需求,其中放大倍数由电阻R50和R40决定。
优选地,参阅图6至图7所示,全桥电路40包括H桥上半桥驱动电路、H桥下半桥驱动电路、H桥上半桥功率驱动管和H桥下半桥功率驱动管;
H桥上半桥驱动电路和H桥下半桥驱动电路的输入端均与所述微处理器输出端连接,H桥上半桥驱动电路的输出端与H桥上半桥功率驱动管连接,H桥下半桥驱动电路的输出端与H桥下半桥功率驱动管连接。
其中,H桥上半桥驱动电路和H桥下半桥驱动电路均采用IRS2183芯片,H桥上半桥功率驱动管和H桥下半桥功率驱动管均采用N沟道MOSFET管。微处理器30产生的PWM波形占空比相反,并分别输入到2个IRS2183正端和负端,进一步产生反相的,幅值达到12V的PWM波形,实现BUCK电源的目的。
具体地,H桥上半桥功率驱动管包括MOS管Q1和MOS管Q2,H桥上半桥驱动电路中:IRS2183芯片的引脚7经二极管JN4007接入MOS管Q1的栅极,MOS管Q1的源极接入MOS管Q2的漏极,MOS管Q2的栅极经电阻R13接入IRS2183芯片的引脚4,MOS管Q2的源极接地。
H桥下半桥功率驱动管包括MOS管Q3和MOS管Q4,H桥下半桥驱动电路中:IRS2183芯片的引脚7经二极管JN4007接入MOS管Q3的栅极,MOS管Q3的漏极接24V电源,MOS管Q3的源极接MOS管Q4的漏极,MOS管Q4的栅极经电阻R18接IRS2183芯片的引脚4,MOS管Q4的源极接地。
优选地,参阅图7所示,整流滤波电路50包括H桥上半桥LC滤波电路和H桥下半桥LC滤波电路;H桥上半桥LC滤波电路输入端与所述H桥上半桥功率驱动管输出端连接;H桥下半桥LC滤波电路与所述H桥下半桥功率驱动管输出端连接。
具体地,H桥上半桥驱动电路中:IRS2183芯片的引脚6经MOS管Q1源极和Q2漏极连线后接H桥上半桥LC滤波电路中的电感L1;H桥下半桥驱动电路中:IRS2183芯片的引脚6经MOS管Q3源极和Q4漏极连线后接H桥下半桥LC滤波电路中的电感L2。
其中:H桥上半桥LC滤波电路和H桥下半桥LC滤波电路由高感量、大功率电感L和大容量电容C组成,其作用是将输入的PWM波形进行滤波处理,消除高频和杂波干扰,进一步输出稳定直流电压,加载到TEC两供电端,TEC制冷片60型号为:TEC-12715。
优选地,参阅图8所示,该温控装置还包括显示输入设备70,显示输入设备70与所述微处理器30之间为RS232通讯连接。显示输入设备70采用3.5寸电阻式触摸屏,用于显示温度信号数据,绘制温度曲线,设置TEC要达到的目标温度,并且保存设定的温度数据
优选地,H桥上半桥功率驱动管还连接有过流检测电路,其中,过流检测电路包括电流检测放大器LTC6106,LTC6106的引脚4与H桥上半桥功率驱动管中的MOS管Q1的漏极连接,LTC6106的引脚4串联以电阻R6,LTC6106的引脚3串联以电阻R4,电阻R4和电阻R6连接后接入24V电压源,LTC6106的引脚5接入24V电压源。LTC6106的输出引脚1依次串联电阻R2和电阻R3,电阻R2和电阻R3连接端接有电阻R5,电阻R5两端并联一电容C7。
优选地,参阅图9所示,本实施例中微处理器30采用STM32F103ZET6芯片,工作主频最高达到72MHz。在整个电路中,微处理器30采用位置式PID运算处理,位置式PID运算的原理为:当设定温度大于当前温度时,误差由当前温度减去设定温度,经过PID运算后,产生占空比大于50%的波形,在TEC两端加载正向电压,处于制冷模式。当设定温度小于当前温度时,误差由设定温度减去当前温度,经过PID运算后产生占空比小于50%的波形,在TEC两端加载反向电压,处于加热模式。制冷和加热两种情况下,当前温度接近设定温度时,脉宽调制波形占空比逐渐缩小接近50%,TEC制冷或者加热效率逐渐降低,从而使TEC两端的电压差接近0V。实现温度稳定,达到高精度的温度范围:±0.01。因此,本实施例中微处理器30将温度传感器10温度值作为当前温度值PID.NowValue,并且与设定的温度值PID.TargetValue做比较,进行位置式PID运算处理,然后将计算得到的浮点数数据PID.PWMResult输出给PID控制函数,产生PWM的原始数据。
本实施例中的TEC温控装置工作过程为,在装置上电后,观测触摸屏显示的被测温度值,设定目标温度值。采用定时器中断方式,间隔50ms对温度采集电路10的数据进行采集,并对采集的温度值进行PID处理:若当前温度大于设定温度两度以上时且累计误差大于80000(防止电流过大烧毁制冷片,做限幅处理)以上,由公式PID.Pwm=PID.Out/250,计算产生PWM的计数器计数周期最大值为400,微处理器30输出占空比为80%的PWM波形,此时加载到TEC两端正向电压差为11.5V,从而控制TEC接近全速制冷,当前温度小于设定温度减两度以下时,微处理器30对输出的波形进行脉宽调试,具体数据由温差大小决定,进一步影响到占空比输出。控制TEC两端电压差更小,使TEC以较小功率工作。
相反的,若当前温度小于设定温度两度以上时,累计误差大于80000(防止电流过大烧毁制冷片,做限幅处理)以上,由公式PID.Pwm=400-PID.Out/250,计算产生PWM的计数器计数周期最大值为400,微处理器30输出占空比为20%的PWM波形,此时加载到TEC两端反向电压差为11.5V,从而控制TEC接近全速加热至当前温度大于于设定温度加两度时,微处理器30对输出的波形进行脉宽调试,具体数据由温差大小决定,进一步影响到占空比输出越接近目标值,占空比更小,控制TEC两端电压差更小,使TEC以较小功率工作。
本实施例中微控制器根据PID.Out数值的大小控制TEC的工作模式,当设定温度和当前温度越来越接近时PIID运算的累积误差也趋近于0,因此TEC工作一定的时间段就能把目标温度控制到设定的温度值。
需要说明的是,本实施例中采用32位微处理器30作为核心控制器,便于与工业控制相结合、扩展和集成。采用的触摸屏作为人机交互方式,通过RS232的通讯接口与微处理器30连接,易于计算机对接控制和组网。采用基于PWM的驱动电路和位置式PID的控制方式,控制效率高,控制反应速度快,控温精度和均匀性达到0.01℃,可以满足激光器、光纤系统等控温精度要求高的场合。采用的MOSFET以及驱动器均为成熟产品,可以保证市场供应和竞争力,且整个装置结构简单,操作方面,具有很强的实用性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TEC温控装置,其特征在于,包括温度采集电路、微处理器、全桥电路以及整流滤波电路;
温度采集电路输出端与微处理器输入端连接;微处理器输出端与全桥电路输入端连接,全桥电路输出端与整流滤波电路连接,整流滤波电路输出端连接TEC制冷片。
2.如权利要求1所述的TEC温控装置,其特征在于,所述温度采集电路包括四通道运算放大器OPA4340和温度传感器,四通道运算放大器OPA4340包括运算放大器U10A、运算放大器U10B、运算放大器U10C和运算放大器U10D,所述温度传感器采用三线制PT100;
U10C的正向输入端与参考基准源连接,输出端经分压电阻连接到U10A正向输入端,U10A输出端与PT100连接为PT100提供激励源;
三线制PT100输出端分别连接U10D的正向输入端和U10B的正向输入端,U10D的输出端连接U10B的反向输入端,与为其提供校正信号,U10B的输出端连接所述微处理器。
3.如权利要求2所述的TEC温控装置,其特征在于,在所述温度采集电路和所述微处理器之间还设置有差分放大电路,该差分放大电路包括所述U10B、电阻R33、R40、R41、R49、R50和电容C59、C61;
电阻R33一端接在所述U10A输出端,电阻R33另一端接电阻R40,电阻R40两端依次并联电阻R41和电容C59,电容C59一端接所述U10B的正向输入端;
电阻R49一端接所述U10D的输出端,电阻R49另一端接所述U10B的反向输入端,电阻R50和电容C61并联,且并联后两端分别接入电阻R49另一端和所述U10B的输出端。
4.如权利要求1所述的TEC温控装置,其特征在于,所述全桥电路包括H桥上半桥驱动电路、H桥下半桥驱动电路、H桥上半桥功率驱动管和H桥下半桥功率驱动管;
H桥上半桥驱动电路和H桥下半桥驱动电路的输入端均与所述微处理器输出端连接,H桥上半桥驱动电路的输出端与H桥上半桥功率驱动管连接,H桥下半桥驱动电路的输出端与H桥下半桥功率驱动管连接。
5.如权利要求4所述的TEC温控装置,其特征在于,所述H桥上半桥功率驱动管还连接有过流检测电路。
6.如权利要求4所述的TEC温控装置,其特征在于,所述整流滤波电路包括H桥上半桥LC滤波电路和H桥下半桥LC滤波电路;
H桥上半桥LC滤波电路输入端与所述H桥上半桥功率驱动管输出端连接;
H桥下半桥LC滤波电路与所述H桥下半桥功率驱动管输出端连接。
7.如权利要求1所述的TEC温控装置,其特征在于,所述微处理器输出端还经通讯电路连接一显示输入设备。
8.如权利要求7所述的TEC温控装置,其特征在于,所述显示输入设备为电阻式触摸屏。
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