一种用于菲涅耳镜光学舱的恒温控制系统设计.doc

1、一种用于菲涅耳镜光学舱的恒温控制系统设计摘 要本文介绍了一种采用微处理器作为温度测量和驱动控制的中心，以及利用半导体制冷片作为制冷器的恒温控制系统，通过该系统对菲涅耳镜光学舱的温度进行控制，可使菲涅耳镜的光学特性保持稳定。关键词菲涅耳镜，单片机，TEC，恒温控制 中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0147-02 1 引言 目前，在光学照明、太阳能利用、投影仪、摄像机等很多领域中菲涅耳镜的应用越来越广泛。与传统光学相比，菲涅耳镜具有成本低、加工简单、口径大、体积小、重量轻等特点。目前国内外用于制作菲涅耳镜的主要材质是 PMMA，其具有透过率

2、高、耐候性好等优点，但是由于材料本身的特性，随着温度的变化其折射率也会发生变化，导致菲涅耳镜焦距产生变化进而影响光学系统的聚焦效果，在一些对像差控制要求较高的场所必须对其工作环境作恒温控制以保持光学系统的稳定性。基于上述原因，本文介绍了一种基于 PIC16F877A 单片机和 TEC 的温控系统，对某种使用菲涅耳镜的精密光学照明系统进行恒温处理。 2 硬件电路设计 2.1 总体电路设计 系统主要由 MCU、温度测量显示及报警模块、驱动及制冷模块、与上位机的通信模块以及散热模块组成，如图 1 所示。MCU 为本系统的中心控制单元，用于系统的数据处理，完成对系统其他组成部分的控制；温度测量显示及报

3、警模块用于完成系统的温度采样、温度值显示以及过温报警；驱动及制冷模块主要包括 H 桥以及 TEC 制冷片，用于完成系统加热/制冷过程的转换；通信模块用于完成与上位机的通信，接收上位机指令以及向上位机发送本机状态；散热模块与 TEC 热面紧密接触，使 TEC 产生的热量及时导出，提升 TEC 制冷效率。 2.2 MCU 主处理器 本系统中 MCU 选用美国微芯公司开发的 PIC16F877A 单片机，该微处理器具有 2 个 CCP 模块用于实现外部信号捕捉、内部比较输出以及 PWM输出功能；内置一个 10 位多通道的模数转换器模块，引脚上的模拟信号经过该 A/D 转换器的转换，可以得到与信号大小

4、成正比的数值，A/D 转换速度与单片机的工作时钟速度有关，本系统对转换速度要求不高，只需在设计时满足单片机本身的要求即可；内置一路 USART 模块，以 TTL 电平的形式与外部实现异步全双工通信；内置大小为 256Byte 的 EEPROM 用以存储数据。该单片机的内置模块基本能满足本系统所有主要的功能需求，可大大简化系统的硬件设计。 2.3 温度测量显示及报警模块 温度测量显示及报警模块包括温度采样部分、温度显示部分以及过温报警部分，如图 2 所示。测温元件采用 LM35A 温度传感器，该传感器采用内部校准，其输出电压与摄氏温度呈线性关系，每一度摄氏温度对应着 10mv 的输出，即 Vou

5、t（T）=10mv/T。MCU 的 A/D 模块分辨率为 10 位即最大值 1024，若使用 10mv 的电压作为测量步长，则Vout=101024=10240mV，该值超出了单片机的参考电压。为了方便计算，使用 2.5mv 的电压作为步长，则其最大输出 Vout 为 2.56V，将参考电压即 RA3 引脚的电压值设为 2.56V，得到的 A/D 输出的值为真实温度的 4 倍，单片机在处理时右移 2 位即可得到真实的输出值。 温度显示模块采用苏州半导体厂生产的 4BS2917 型 4 位数码管，设计时由 MCU 的 PORTD 口输出数值，PORTB 口的 RB0RB4 输出选通信号选择对应哪

6、一位的数码管进行显示，电路设计时需要考虑数据缓存的处理，使 PORTD 口的输出数据保持一定的时间，否则数码管会出现异常显示。温度报警电路包括光耦与蜂鸣器等，当 MCU 检测到超高温或过低温时 RA1引脚输出低电平，使蜂鸣器导通发出报警信号。 2.4 驱动及制冷模块 驱动电路及制冷模块包括 H 桥以及 TEC 制冷片，其组成见图 3 所示。驱动电路使用四个功率 MOS 管组成一个 H 桥，分别连接 TEC 制冷片的正负端。单片机通过两个 CCP 模块输出的 PWM 脉冲信号控制 V1、V4 同时导通或 V2、V3 同时导通，可实现制冷片工作于制冷模式或加热模式，由于V1、V4 与 V2、V3

7、两组 MOS 管不能同时处于导通状态，即一组导通时另一组必须关闭，所以在 CCP1 与 CCP2 输出 PWM 信号实现进行冷热切换时，在切换前一定要确保另一路输出的是低电平，同时需做延时处理。需要注意的是，V1、V4、V2、V3 四个功率管需采用不同类型的 MOS 管，其中V1、V2 需要采用 P 沟道的 MOS 管，V3、V4 需采用 N 沟道的 MOS 管。 制冷片采用 TEC 半导体制冷片，该器件利用的是半导体材料的帕尔贴效应，即当直流电通过 2 种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的一端吸收热量，而另一段产生热量，通过改变电流方向，其热量吸收端和热量产生端会进行切换，从而实现制冷模

8、式或加热模式的自动转换，该器件的工作方式为纯电致冷型，避免了其他制冷系统的冷液交换等步骤，具有热惯量小、制冷/加热模式切换快、可靠性好，系统体积小、适应型强等优点。根据对负载的升温降温的计算和温控系统的设计要求可以确定 TEC 加热、制冷的参数，这些参数需考虑以下基本条件： 1）加热产生的热量大于负载由低温上升到设定温度所需要的热量； 2）制冷吸收的热量大于负载由高温下降到设定温度所释放的热量； 3）升降温速率的要求。 在实际使用过程中，需考虑 TEC 的效率并结合温度控制算法，选择TEC 时其最大加热、制冷功率 Pmax 一般需大于等于负载平均功率的 2 倍，即 Pmax2P=2（W1+W2

9、）/t， （3） 式中 P 为负载平均功率。 假定系统加热时负载从-25上升到+40所需的热量为 650J，降温时负载从+60降到+40所释放的能量为 200J，升温率 v4/s，则有t =（ 40-（-25） ）/4/s=16.25s，即 Pcmax252.3=104.6W。 根据以上分析选择了两片型号为 12706 的制冷片组成能量转换单元，具体参数如表 1 所示。 2.5 散热设计 散热设计直接关系到系统的加热及制冷效率，如果散热设计不好将达不到设计的要求，尤其是在制冷模式下工作时，TEC 的制冷效率与其散热方式及其结构设计密切相关，由于 TEC 的散热量等于其输入功率与制冷量之差，如果

10、热量不能及时的导出，则不仅达不到制冷的效果，甚至会变成加热，因此重点设计好其散热方式将会对制冷效率的提高起到非常关键的作用。 在工程设计中，散热部分一般应包括制冷片，散热器，导热硅脂、隔热垫以及风扇，其中制冷片与散热器之间的接触面一般需要进行研磨处理，并且涂上导热硅脂以增加二者之间的结合度，以提高导热效率，增强系统制冷能力。外部散热风扇用以将外部散热器吸收的热量及时传导到外部空间中，在实际工程应用中，为提高外部散热器的散热效率，也可采用水冷的方式，使水冷块紧密结合散热器，通过水冷块内冷液的循环将系统产生的热量带走，散热部分的设计一般如下图 4 所示。 3 软件设计 本系统软件设计从功能模块划分

11、，主要包含通讯处理模块、温度转换测量模块，温度显示及报警模块、温度驱动调制模块以及散热模块组成。其中温度驱动调制模块中，对其加热制冷功率的控制采用调 PWM 占空比的方式实现，其脉宽根据与设定温度温差的大小进行调整，实际使用中需要根据系统的热效率、热隔离效果等调整 PWM 的占空比以达到兼顾制冷速率与恒温特性，防止温度过冲。其流程图如下图 6 所示。 4 结论 通过本系统的设计，成功的实现了菲涅耳光学舱的温度稳定控制，通过对 PWM 脉宽的调制可以将光学舱的温度稳定在设定温度的 2 度误差范围以内，保证了菲涅耳镜的光学特性，使通过菲涅耳镜的出射光得到了良好的控制。 参考文献 1 王怀光，任国全，范红波.基于 DS18B20 温度传感器的半导体制冷装置研制J.中国测试，2014 年，第 40 卷第 1 期. 2 李中华，张雨浓，陈卓怡等译.PIC 技术宝典M.北京：人民邮电出版社，2008.