一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的tec溫度控制器的制造方法
【專利摘要】一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，屬于自動(dòng)溫度控制【技術(shù)領(lǐng)域】。包括單片機(jī)、光耦隔離電路、溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路和TEC，其特征在于單片機(jī)和光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路相連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接到TEC；溫度傳感器和單片機(jī)相連接；溫度傳感器和TEC被置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處，本發(fā)明利用TEC和單片機(jī)控制光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處的溫度，使得控溫的精確度大大的提高，從而改善光纖系統(tǒng)的測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】—種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，屬于自動(dòng)溫度控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖氣體傳感器是80年代后期出現(xiàn)的一種新型傳感器。經(jīng)過(guò)20多年的迅速發(fā)展，它在煤炭、石油化工、冶金、電力、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)以及環(huán)保工程和生物工程等方面都有著廣泛的用途，但是其光學(xué)系統(tǒng)易受溫度的影響。例如，激光器的輸出波長(zhǎng)隨溫度漂移，在電流恒定的情況下，溫度每升高l°c，激光波長(zhǎng)將增加大約0.2?0.3nm，激光器是一種溫度敏感器件，微小的溫度變化能使激光器輸出波長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的變化；耦合器透射光波和耦合光波的平均波長(zhǎng)和功率都會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化；溫度的變化同樣影響探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)化效率和生成光電流的大小。上述因素會(huì)影響光纖氣體傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控溫，減小溫度的影響。
[0003]TEC即半導(dǎo)體制冷器具有體積小、無(wú)噪聲、無(wú)污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、軍事、光電、機(jī)電、醫(yī)療、汽車、通訊等領(lǐng)域。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的溫度控制恰巧需要體積小工作安靜的溫度控制器。
[0004]光纖氣體傳感器的光學(xué)系統(tǒng)，例如激光器，耦合器、探測(cè)器易受溫度的影響，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。陳建萍、劉潤(rùn)華的論文“半導(dǎo)體激光器的溫控電路設(shè)計(jì)”(贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010年第三期，74-76頁(yè))針對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作需要，提出了一種基于硬件PID技術(shù)的溫控電路。硬件PID技術(shù)就是利用放大器做的比例、積分、微分電路，該硬件PID技術(shù)易受噪聲影響，從而影響控溫的準(zhǔn)確性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種用于光纖傳感系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，包括單片機(jī)、光耦隔離電路、溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路和TEC，其特征在于單片機(jī)和光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路相連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接到TEC ;溫度傳感器和單片機(jī)相連接；溫度傳感器和TEC被置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處；
[0008]所述驅(qū)動(dòng)電路所用芯片型號(hào)為L(zhǎng)298N ；
[0009]所述光稱隔離器的型號(hào)為TLP521-4。
[0010]所述溫度傳感器的型號(hào)為DS18b20。
[0011]所述單片機(jī)型號(hào)為STC12C5A60S2。
[0012]所述TEC 型號(hào)為 TEC1-12706。
[0013]本發(fā)明溫度控制器在使用時(shí)，先將溫度傳感器和TEC被置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處，由單片機(jī)程序預(yù)先設(shè)定的溫度值和溫度傳感器檢測(cè)的溫度值相比較，通過(guò)PID算法由單片機(jī)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流的大小和方向來(lái)控制TEC工作，利用TEC控制光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處的溫度，使得控溫的精確度大大的提高，從而改善光纖系統(tǒng)的測(cè)量精度。
[0014]一種上述溫度控制器中單片機(jī)的工作方法，步驟如下:
[0015](I)將溫度傳感器和TEC置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處，在單片機(jī)中對(duì)溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位、讀、寫(xiě)設(shè)定:設(shè)定Ims時(shí)間長(zhǎng)度的的低電平信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位；設(shè)置定時(shí)器中斷，一次中斷時(shí)間為100ms，進(jìn)5次定時(shí)器中斷，即每500ms單片機(jī)給溫度傳感器進(jìn)行一次讀操作，單片機(jī)讀數(shù)是串行數(shù)據(jù)，需要乘以0.0625轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度；
[0016](2)單片機(jī)對(duì)從溫度傳感器讀取的溫度值進(jìn)行做PID(比例、積分、微分)算法處理；預(yù)設(shè)變量Duty為浮點(diǎn)型變量(保證該變量范圍足夠大)，設(shè)定溫度值為settemp，讀取的真實(shí)溫度值為realtemp，累計(jì)誤差為sumeiror ;單片機(jī)所獲取的累計(jì)誤差是其每次從溫度傳感器讀取的溫度值與設(shè)定溫度值之差累加之和；
[0017](3)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5 °C以上，即settemp-realtemp > 5或者realtemp-settemp > 5時(shí),貝U單片機(jī)輸出全高或者是全低電平，從而控制TEC全速制熱或者制冷；
[0018](4)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5°C或者5°C以下，即settemp-realtemp ( 5或者realtemp-settemp ( 5,則單片機(jī)對(duì)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，具體的調(diào)制情況是由Duty的值決定的；
[0019](5)上述中，Duty = sumerror*。.4+51*(realtemp-settemp),即 Duty 的大小由sumerror和realtemp-settemp大小確定，sumerror后面乘的系數(shù)是根據(jù)被控溫物質(zhì)的比熱容確定的；realtemp_settemp前面乘的系數(shù)51,目的是單片機(jī)開(kāi)始工作時(shí),判斷Duty和255以及-255的大小關(guān)系；
[0020](6)當(dāng)Duty > 255時(shí)，則單片機(jī)輸出全低電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎?，TEC進(jìn)行全速制冷；當(dāng)O < Duty ( 255時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出正向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎?，TEC進(jìn)行制冷，但是制冷效率下降；當(dāng)-255 SDuty < O時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出反向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱，但是制熱效率下降；iDuty < -255時(shí)，則單片機(jī)輸出全高電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱；
[0021](7)單片機(jī)根據(jù)Duty的大小來(lái)控制TEC的工作方式,設(shè)定溫度值settemp與讀取的真實(shí)溫度值realtemp會(huì)越來(lái)越接近,所以累計(jì)誤差sumerror也越來(lái)越趨近于O,因此TEC工作一段時(shí)間后就能把溫度控制在設(shè)定的值。
[0022]本發(fā)明所述光纖系統(tǒng)中需要控溫的部分主要包括激光器、耦合器和探測(cè)器，也可用于其它的自動(dòng)溫度控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0023]本發(fā)明溫度控制器工作原理為:單片機(jī)對(duì)TEC的溫度控制是采用PWM方式，單片機(jī)輸出高低電平?jīng)Q定TEC加熱制冷的狀態(tài)，PWM占空比決定加熱制冷的時(shí)間。對(duì)激光器、探測(cè)器、耦合器進(jìn)行控溫時(shí)，把它們和TEC、溫度傳感器封裝在一起，光學(xué)器件的溫度一般控制在20°C左右。因此由程序設(shè)定溫度值為20°C，溫度傳感器的溫度通過(guò)單片機(jī)采樣，單片機(jī)把采樣溫度和設(shè)定溫度相比較，如果兩者相差5°C以上，則單片機(jī)輸出全高或全低電平，控制TEC進(jìn)行全速加熱或制冷，當(dāng)采樣溫度和設(shè)定溫度相差5°C以內(nèi)，則單片機(jī)輸出電平進(jìn)行PWM,兩者溫度越接近時(shí)，PWM越劇烈，從而把溫度控制在設(shè)定的溫度值。
[0024]上述中，全高電平、全低電平以及PWM占空比是由單片機(jī)根據(jù)采樣的溫度和設(shè)置溫度值的偏差經(jīng)過(guò)PID算法得到。單片機(jī)的輸出和TEC驅(qū)動(dòng)電路的輸入之間加了光耦隔離電路，單片機(jī)輸出電流為幾個(gè)毫安，而TEC驅(qū)動(dòng)電路的輸入電流最大為3A，光耦隔離電路功能是使輸入和輸出地隔離，防止輸出端大電流通過(guò)地流入輸入端，對(duì)弱電部分造成干擾。TEC在全速制冷或全速加熱時(shí)功率為36W。
[0025]上述的PID算法是工業(yè)控制上的一種控制算法，其中P表示比例，I表示積分，D表示微分。以溫度控制的PID程序?yàn)槔?P(比例)表示在溫度設(shè)定值上下多少度的范圍內(nèi)做比例動(dòng)作，當(dāng)溫度越高，功率越小，溫度越低，功率就越大，功率到底為多大，就看溫度偏差值和比例區(qū)間的大小按反比關(guān)系計(jì)算。1(積分)也是一種比例，是溫度偏差值的累積值與設(shè)定的一個(gè)值之間的反比關(guān)系，但要注意何時(shí)將溫度偏差值的累積值清零。積分就好像當(dāng)溫度比設(shè)定值低很多而你有覺(jué)得溫度升的慢的時(shí)候就使勁的加大功率一樣。D (微分)是溫度變化快慢跟功率的比值，即當(dāng)你覺(jué)得溫度上升的太快時(shí)，就降低功率，以阻止溫度上升過(guò)快，反之當(dāng)溫度下降太快時(shí)，就加大功率以阻止溫度下降太快。
[0026]上述的TEC是英文ThermoelectricCooler的縮寫(xiě),意思是半導(dǎo)體致冷器,它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。所謂珀?duì)柼?yīng)，是指當(dāng)直流電流通過(guò)兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控溫時(shí)，在TEC的反面加上散熱片，目的是減小反面對(duì)正面的影響，以便快速達(dá)到設(shè)定的溫度值。
[0027]TEC溫度控制器在全速制冷或全速加熱時(shí)功率為36W，PWM時(shí)功率小于20W，溫差不超過(guò)50°C時(shí)，半導(dǎo)體制冷的效率高于壓縮式制冷和其他形式制冷的效率。
[0028]TEC溫度控制電路的芯片采用STC12C5A60S2作為其控制核心，能夠在工作過(guò)程中不斷對(duì)采取溫度傳感器的溫度值和設(shè)定的溫度值相比較，通過(guò)PID算法進(jìn)行自動(dòng)修正，控制TEC的加熱或制冷量，因此可以克服長(zhǎng)期使用和環(huán)境溫度變化引起的誤差，有效提高系統(tǒng)的測(cè)量、控制精度。
[0029]本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0030]由單片機(jī)程序預(yù)先設(shè)定的溫度值和溫度傳感器檢測(cè)的溫度值相比較，通過(guò)PID算法由單片機(jī)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流的大小和方向來(lái)控制TEC工作，利用TEC控制光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處的溫度，使得控溫的精確度大大的提高，從而改善光纖系統(tǒng)的測(cè)量精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明TEC溫度控制器的結(jié)構(gòu)示意框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
[0033]實(shí)施例1:
[0034]本發(fā)明實(shí)施例1如圖1所示，一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，包括單片機(jī)、光耦隔離電路、溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路和TEC，其特征在于單片機(jī)和光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路相連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接到TEC ;溫度傳感器和單片機(jī)相連接；溫度傳感器和TEC被置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處；
[0035]所述驅(qū)動(dòng)電路所用芯片型號(hào)為L(zhǎng)298N ;
[0036]所述光稱隔離器的型號(hào)為TLP521-4。
[0037]所述溫度傳感器的型號(hào)為DS18b20。
[0038]所述單片機(jī)型號(hào)為STC12C5A60S2。
[0039]所述TEC 型號(hào)為 TEC1-12706。
[0040]實(shí)施例2:
[0041]一種上述溫度控制器中單片機(jī)的工作方法，步驟如下:
[0042](I)將溫度傳感器和TEC置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處，在單片機(jī)中對(duì)溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位、讀、寫(xiě)設(shè)定:設(shè)定Ims時(shí)間長(zhǎng)度的的低電平信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位；設(shè)置定時(shí)器中斷，一次中斷時(shí)間為100ms，進(jìn)5次定時(shí)器中斷，即每500ms單片機(jī)給溫度傳感器進(jìn)行一次讀操作，單片機(jī)讀數(shù)是串行數(shù)據(jù)，需要乘以0.0625轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度；
[0043](2)單片機(jī)對(duì)從溫度傳感器讀取的溫度值進(jìn)行做PID (比例、積分、微分)算法處理；預(yù)設(shè)變量Duty為浮點(diǎn)型變量(保證該變量范圍足夠大)，設(shè)定溫度值為settemp，讀取的真實(shí)溫度值為realtemp，累計(jì)誤差為sumeiror ;單片機(jī)所獲取的累計(jì)誤差是其每次從溫度傳感器讀取的溫度值與設(shè)定溫度值之差累加之和；
[0044](3)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5 °C以上，即settemp-realtemp > 5或者realtemp-settemp > 5時(shí),貝U單片機(jī)輸出全高或者是全低電平，從而控制TEC全速制熱或者制冷；
[0045](4)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5°C或者5°C以下，即settemp-realtemp ( 5或者realtemp-settemp ( 5,則單片機(jī)對(duì)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，具體的調(diào)制情況是由Duty的值決定的；
[0046](5)上述中，Duty = sumerror*。.4+51*(realtemp-settemp),即 Duty 的大小由sumerror和realtemp-settemp大小確定，sumerror后面乘的系數(shù)是根據(jù)被控溫物質(zhì)的比熱容確定的；realtemp_settemp前面乘的系數(shù)51,目的是單片機(jī)開(kāi)始工作時(shí),判斷Duty和255以及-255的大小關(guān)系；
[0047](6)當(dāng)Duty > 255時(shí)，則單片機(jī)輸出全低電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎?，TEC進(jìn)行全速制冷；當(dāng)O < Duty ( 255時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出正向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎琓EC進(jìn)行制冷，但是制冷效率下降；當(dāng)-255 SDuty < O時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出反向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱，但是制熱效率下降；iDuty < -255時(shí)，則單片機(jī)輸出全高電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱；
[0048](7)單片機(jī)根據(jù)Duty的大小來(lái)控制TEC的工作方式,設(shè)定溫度值settemp與讀取的真實(shí)溫度值realtemp會(huì)越來(lái)越接近,所以累計(jì)誤差sumerror也越來(lái)越趨近于O,因此TEC工作一段時(shí)間后就能把溫度控制在設(shè)定的值。
【權(quán)利要求】
1.一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，包括單片機(jī)、光耦隔離電路、溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路和TEC，其特征在于單片機(jī)和光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路相連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接到TEC ;溫度傳感器和單片機(jī)相連接；溫度傳感器和TEC被置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處； 所述驅(qū)動(dòng)電路所用芯片型號(hào)為L(zhǎng)298N ； 所述光耦隔離器的型號(hào)為TLP521-4。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，所述溫度傳感器的型號(hào)為DS18b20。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，所述單片機(jī)型號(hào)為 STC12C5A60S2。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于光纖系統(tǒng)的基于單片機(jī)的TEC溫度控制器，所述TEC型號(hào)為 TEC1-12706。
5.一種如權(quán)利要求1所述的TEC溫度控制器中單片機(jī)的工作方法，步驟如下: (1)將溫度傳感器和TEC置于光纖系統(tǒng)中需要控溫的部位處，在單片機(jī)中對(duì)溫度傳感器進(jìn)行復(fù)位、讀、寫(xiě)設(shè)定:設(shè)定Ims時(shí)間長(zhǎng)度的的低電平信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位；設(shè)置定時(shí)器中斷，一次中斷時(shí)間為100ms，進(jìn)5次定時(shí)器中斷，即每500ms單片機(jī)給溫度傳感器進(jìn)行一次讀操作，單片機(jī)讀數(shù)是串行數(shù)據(jù)，需要乘以0.0625轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度； (2)單片機(jī)對(duì)從溫度傳感器讀取的溫度值進(jìn)行做PID算法處理；預(yù)設(shè)變量Duty為浮點(diǎn)型變量，設(shè)定溫度值為settemp,讀取的真實(shí)溫度值為realtemp,累計(jì)誤差為sumerror ；單片機(jī)所獲取的累計(jì)誤差是其每次從溫度傳感器讀取的溫度值與設(shè)定溫度值之差累加之和； (3)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5°C以上，即settemp-realtemp>5或者realtemp-settemp > 5時(shí),則單片機(jī)輸出全高或者是全低電平,從而控制TEC全速制熱或者制冷； (4)當(dāng)設(shè)定溫度值與單片機(jī)讀取的真實(shí)溫度值相差5°C或者5 °C以下，SPsettemp-realtemp ( 5或者realtemp-settemp ( 5,則單片機(jī)對(duì)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，具體的調(diào)制情況是由Duty的值決定的； (5)上述中，Duty= sumerror*。.4+51* (realtemp-settemp),即 Duty 的大小由sumerror和realtemp-settemp大小確定，sumerror后面乘的系數(shù)是根據(jù)被控溫物質(zhì)的比熱容確定的；realtemp_settemp前面乘的系數(shù)51,目的是單片機(jī)開(kāi)始工作時(shí),判斷Duty和255以及-255的大小關(guān)系； (6)當(dāng)Duty> 255時(shí)，則單片機(jī)輸出全低電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎?，TEC進(jìn)行全速制冷；當(dāng)O < Duty ( 255時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出正向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)檎?，TEC進(jìn)行制冷，但是制冷效率下降；當(dāng)-255 ( Duty < O時(shí)，則單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，單片機(jī)輸出反向方波，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱，但是制熱效率下降；當(dāng)Duty < -255時(shí)，則單片機(jī)輸出全高電平，流經(jīng)TEC的電流方向?yàn)樨?fù)，TEC進(jìn)行制熱； (7)單片機(jī)根據(jù)Duty的大小來(lái)控制TEC的工作方式,設(shè)定溫度值settemp與讀取的真實(shí)溫度值realtemp會(huì)越來(lái)越接近,所以累計(jì)誤差sumerror也越來(lái)越趨近于O,因此TEC工作一段時(shí)間后就能把溫度控制在設(shè)定的值。
【文檔編號(hào)】G05D23/30GK104238599SQ201410465948
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】田長(zhǎng)彬, 常軍, 魏巍, 王強(qiáng), 賈傳武, 王福鵬 申請(qǐng)人:山東大學(xué)