徐爽　王勁松　王鋒

摘要：保溫控制在工業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事實(shí)驗(yàn)中都有著決定性的影響。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DS18b20為溫度傳感器的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量保溫儀內(nèi)部溫度，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)STC89c52，再由LCD12864的顯示系統(tǒng)顯示出保溫儀內(nèi)部溫度，根據(jù)測(cè)量得到的溫度經(jīng)單片機(jī)判斷最后由以TEC為核心的多通道溫度控制系統(tǒng)對(duì)保溫儀進(jìn)行加熱或是制冷，達(dá)到保溫儀內(nèi)部保溫的效果。給出了各部分電路原理圖和實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控溫穩(wěn)定性好，溫度波動(dòng)性小，能很好的滿足多點(diǎn)溫度測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：保溫控制；TEC；DS18b20；多通道

中圖分類號(hào)：V443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

在現(xiàn)代，CCD相機(jī)在多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，成為人類獲取信息的主要工具之一。做為一種半導(dǎo)體集成器件，CCD相機(jī)對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感，環(huán)境溫度過(guò)高，引起光學(xué)和機(jī)械誤差將導(dǎo)致相機(jī)的視軸漂移和光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變，造成影像模糊，嚴(yán)重破壞成像質(zhì)量，而環(huán)境溫度過(guò)低直接會(huì)導(dǎo)致CCD相機(jī)不能工作。這就限制了其在一些溫度環(huán)境相對(duì)惡劣條件下的使用 。如產(chǎn)品環(huán)境模擬試驗(yàn)，環(huán)境溫度低溫達(dá)到-40℃，高溫要60℃，這就要求CCD相機(jī)應(yīng)具有較寬的工作溫度適應(yīng)能力，通常有兩種方法，一是采用制造工藝，生產(chǎn)寬溫器件，二是采用保溫措施保證CCD器件的工作環(huán)境溫度，因后者的成本較前者低，被廣泛采用。據(jù)此文中設(shè)計(jì)了多通道CCD保溫儀，采用DS18b20為溫度傳感器和TEC半導(dǎo)體為制冷制熱器件，STC89c52為中心控制器件，可實(shí)現(xiàn)-50℃～+70℃較惡劣環(huán)境溫度下CCD相機(jī)正常過(guò)工作條件。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時(shí)測(cè)溫，而且測(cè)溫精度較高，圖1是保溫儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框架。

1.1單片機(jī)控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由STC89C52進(jìn)行集中控制和管理。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。

1.2單總線測(cè)溫系統(tǒng)

DS18b20是由美國(guó)DALLAS公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理 。

DS18b20獨(dú)特的單線接口方式，它與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18b20的雙向通信，并且支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫，在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，測(cè)量溫度范圍為-55℃—+125℃，可編程分辨率為9—12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃，在-10℃—+85℃時(shí)精度為±0.5℃ 。

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是控制保溫儀的加熱、制冷，以及散熱。通常制冷有風(fēng)冷、水冷、壓縮機(jī)制冷、TEC制冷等幾種方式 。本系統(tǒng)采用TEC加熱/制冷，TEC是利用半導(dǎo)體的熱—電效應(yīng)制取冷量的器件，又稱熱—電制冷片 。利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實(shí)現(xiàn)制冷的目的 。本系統(tǒng)采用TEC1-12706。系統(tǒng)采用了6片制冷片，同時(shí)控制六個(gè)保溫儀，輸入電壓選用12V，總的制冷功率達(dá)到 330W。為了保證TEC加熱制冷功率，會(huì)在TEC的一面加上散熱組件（風(fēng)扇和散熱片）。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路如圖4（a）所示，由單刀雙擲繼電器、PNP8550、IN4007以及 兩端接的TEC組成，通過(guò)三極管 、 的導(dǎo)通和截止來(lái)控制繼電器的吸合與斷開，從而使TEC兩端導(dǎo)通，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱或是制冷。繼電器兩端反接的二極管IN4007為消耗二極管，用來(lái)消耗反向電動(dòng)勢(shì)。

1.4 LCD顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)采用128×64 的 LCD 顯示器。5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，液晶顯示模塊是 128×64 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo) GB2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)（16×16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8×16 點(diǎn)陣）及 64×256 點(diǎn)陣顯示 RAM（GDRAM）。與 CPU 直接接口，提供兩種接口來(lái)連接微處理機(jī)：8位并行及串行兩種連接方式 。 本系統(tǒng)采用并行鏈接方式。圖5是其和單片機(jī)的接口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是保溫儀的重要組成部分，軟件流程圖如圖6所示。

上電以后，單片機(jī)首先對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置與繼電器連接的個(gè)引腳輸出低電平，繼電器斷開，制冷組件停止工作，然后初始化12864，初始化DS18b20溫度傳感器，開始測(cè)溫，需要注意的是由于系統(tǒng)是多通道DS18b20同時(shí)測(cè)溫，所以需要先將DS18b20溫度傳感器的序列號(hào)讀取出來(lái)，然后在測(cè)溫時(shí)通過(guò)匹配序列號(hào)判斷所讀取的是哪個(gè)保溫儀的溫度，最后將各保溫儀的溫度與設(shè)定值相比較，如果不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)則調(diào)用溫控子程序。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，在最開始將系統(tǒng)的溫度值設(shè)定為高溫25℃，低溫20℃，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要，設(shè)定溫度警報(bào)值，當(dāng)某個(gè)保溫儀內(nèi)溫度超出警報(bào)溫度范圍，則調(diào)用報(bào)警程序，并盡快將系統(tǒng)關(guān)閉，以免將其他器件燒毀。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

應(yīng)用在高低溫環(huán)境下對(duì)瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，，需要CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，試驗(yàn)溫度要求在-50℃～60℃。圖9（a）為高低溫箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，將CCD相機(jī)及保溫儀系統(tǒng)放到放在高低溫箱內(nèi)部，高低溫箱負(fù)責(zé)給實(shí)驗(yàn)提供溫度條件。（b）保溫儀實(shí)物圖。

℃

高低溫箱溫度 1號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 2號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 3號(hào)保溫箱內(nèi)溫度 4號(hào)保溫箱內(nèi)溫度

-50℃ 19.8℃ 19.6℃ 19.4℃ 19.6℃

-40℃ 19.9℃ 19.7℃ 19.6℃ 19.4℃

0℃ 21.3℃ 22.1℃ 21.4℃ 21.7℃

40℃ 23.2℃ 24.1℃ 23.8℃ 24.0℃

50℃ 24.9℃ 25.1℃ 24.8℃ 25.0℃

保溫儀是為確保在一些極端溫度下實(shí)驗(yàn)可以正常進(jìn)行，所以系統(tǒng)采用的測(cè)溫精度為0.1，由測(cè)量結(jié)果可以看出在高溫和低溫情況下保溫儀內(nèi)溫度合理的控制在了CCD相機(jī)的工作溫度范圍呢，且四通道恒保溫儀溫度一致性比較好，溫度波動(dòng)性小與±1℃，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

采用DS18b20為溫度傳感器的多通道TEC保溫儀，外圍電路簡(jiǎn)單，不易干擾，不僅為高低溫下進(jìn)行的CCD圖像采集實(shí)驗(yàn)提供了溫度保障，并且也可以應(yīng)用與其他極端溫度下的實(shí)驗(yàn)，為工作溫度范圍較窄的電子器件提供溫度保障，保證了個(gè)電子器件在高溫或是低溫下正常工作，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，并且生產(chǎn)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，適合與多種實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)

[1]黃誼.基于工業(yè)CCD相機(jī)圖像處理和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]碩士學(xué)位論文.山西：中北大學(xué).2013

[2]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社.2009：2-16.342-349.147-167

[3]呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2012（10）：1-3.

[4] 秦海濤，薛晨陽(yáng).半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及誤差分析[J].儀表技術(shù)與傳感器.2007（1）：39-41.

[5]姬志君.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的自動(dòng)溫控箱的研究與設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文.河北：河北農(nóng)業(yè)大學(xué).2012