1、中 国高新技术企业基于半导体制冷器件的恒温系统文 / 洪金海【摘要 】 本设计采用单片机 AT89S52 作为恒温系统的核心部件 ， 半导体制冷片 TEC-12706 作为恒温控制系统的执行部件 ，运用模糊 PID 控制算法实现温度快速 、稳定 、精确控制 。 系统通过模糊 PID 算法改变单片机输出的 PWM 脉冲来控制制冷片工作状态 ，不仅使系统的温度能够自动调整到设定值 ，且能使温度 控 制 动 态响应好 、上升时间快 、超调小 、稳态精度高 ，具有很好的实时性 。【关键词 】 单片机 半导体制冷 恒温控制系统 模糊 PID 算法1 半导体制冷原理半导体制冷是近年来迅速发展的一项高新技术
2、 ，其原理就是半导体材料的温差效应 。 如果把不同极性的两种半导体材料 （P 型 、N型 ），联 接 成 电 偶 对 ，通过直流电流时就发生能量的转移 ；电 流 由 N型 元 件 流 向 P 型元件时便吸收热量 ，这个端面为冷面 ，电 流 由 P 型元件流向 N 型元件时便放出热量 ，这个端面为热面 。 如果改变直流电的极性 ，同一制冷器可以实现制冷和加热两种功能 。2 恒温控制系统恒温控制系统框图如图 1 所示 。温度传感器变送电路把恒温控制箱内的现场温度转换成相应的电信号 ， 经 AD 采 样 后 输 入AT89S52 单片机系统 。 单片机一方面显示现场温度 ，另一方面把现场的温度值与键
3、盘设定的温度值进行比较 ， 经 模 糊 PID 算 法 控 制 后 ，从 P0.0 和 P0.1 输出相应的 PWM 控制信号 ， 控制驱动电路工作 ，从而控制半导体制冷器件的工作状态 ，进而实现对箱体的恒温控制 。图 1 恒温控制系统框图2.1 温度传感器及变送电路为了提高恒温控制系统的灵敏度和控制精度 ， 必须寻找高精度的温度传感器并设计合理的变送电路 。 系统选用 AD590 作为温度传感器 。AD590 等效为一个恒流源 ，输出阻抗大于 10M，能大大减小由于电源电压波动而产生的测温误差 ，测温范围为 -55150，对应于热力学温度每变化 1K，输出电流变化 1mA。 AD590 与电
4、阻 R4 和 R5 串联 ，调节其阻值 ，使两电阻阻值之和为 10k，对应于温度每变化 1，输出电压变化 10mV。TL431 为 精 密 电 源 输 出 ， 调 节 R2 使得其输出电压为 2.73V，AD590 的输出电压经电压跟随后与 2.73V 进行 10 倍的差动放大 ，从而有摄氏温度和差动放大后的电压的关系为 ：T=10Vout （1）图 2 温度传感器及变送器2.2 半导体制冷器驱动电路温度传感器及变送电路的输出信号 （Vout） 经 AD 转换后送人单片机 ，单片机对其进行模糊 PID 算法控制后 ，由 P0.0 和 P0.1 口输出相应的 PWM 信号 。 其中 P0.0 口
5、的 PWM 信号控制制冷单元 ，P0.1口的 PWM 信号控制加热单元 。 PWM 信号经高速光耦 TLP250 后 ，将PWM 的电压幅值提高到 12V，以减小 MOS 管 IRF540 的管压降 。为保证半导体制冷器件正常工作 ， 要求输入的电源电压纹波小于 10%，且不能突然改变电源的极性 ，因 此 ，MOS 管 IRF540 的 输 出电压不能直接供给半导体制冷片 ， 本系统采取 了 合 理 的 LC 滤 波 电路 ，使得电压的纹波达到了要求 ，采用两个分立的控制电路 ，使得 制冷单元和加热单元完全分开 ，既能保证迅速制冷和加热 ，也 能 保 证不突然改变半导体制冷器件电源电压的极性
6、，从而确保了制冷器件的长寿命 。图 3 半导体制冷片驱动电路图 3 为半导体制冷片的驱动电路 。 制冷单元和加热单元的驱动电路完全一样 ，只是半导体制冷片的电源极性正好相反 。 制 冷 和 加热单元制冷片的工作状态由单片机输出的 PWM 控制 。2.3 半导体制冷器件工作状态的设计要达到理想的制冷加热效果 ，除选用合适的电压电流外 ，热端还要 有 良 好 的 散 热 条 件 ，冷端还要有良好的导冷条件 ，以 防 冷 面 结 露而导致冷气散不出去 ，冷热两面冷热中和达到最小 。 这就要求 ，两面之 间 完 全 隔 离 ，两接触面热阻小 。 为 此 ，两面产生的热量要及时传递 ，控制的空间要有良好
7、的绝热封闭性 。图 4 软件设计流程图2.4 键盘及显示电路键盘用作控制信息的输入 。 系统采用 4 个按键 ，分别实现系统的(下转 76 页 )技术论坛67- -中 国高新技术企业(上接 67 页 )复位 、设定温度逐次加 1、设定温度逐次减 1 和确定所设定温度 。 系统的初始温度为 25，用户可根据实际需要自行设定 。系统采用液晶显示器 1602 显示设定的温度和当前的温度 ，不仅节省了单片机的 I/O 口资源 ，还使显示更加稳定 。3 软件设计3.1 模糊控制采用传统的模糊 PID 算法比较复杂 ，而简单的模糊 PID 控制已经可以满足需要 ， 因此软件设计采用了简单的模糊 PID 算
8、法 ， 即当温度不在软件预先设定的范围内 ，采 取 全 1 或 全 0 信 号 控 制 ，进 入软件预先设定的温度范围内 ， 直接调用 PID 控制程序 ， 这种简单的PID 控制算法在实际应用中取得了良好的效果 。3.2 数字 PID 控制单片机控制是一种采样控制 ，系统采用的增量式 PID 控制算法为 ：u(k)=kp(e(k)-e(k-1)+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+d(k-2)（2）该控制算法不需要累加 ，控 制 增 量 u(k)仅 与 最 近 的 k 次 采 样有 关 ，误 动 作 影 响 小 ，而且通过软件滤波处理可以得到比较好的控制效果 。4 结论应用上述方法
9、 ，可以成功地 实 现 10mm10mm10mm 的 箱 体 在 3分钟内温度变化 18,精度控制在 0.1。 需要指出的是 ，系统可控制的温度仅受温度传感器的限制 ，与 本 算 法 无 关 ；若温度变化十分缓慢 ，则是箱体的绝热密封密封性不好 。 笔者认为 ，本系统可用于制作半导体小冰箱 。(作者单位系武汉理工大学 )滤波器保护系统 2 UDL 测量值偏大 ， 导致过负荷保护误动作 ， 极 2紧急停运 。对此 ，肇庆换流站实行了如图 3 所 示 的 反 措 ：如果直流滤波器保护系统检测到 UDL 大于 1.7p.u.，则闭锁直流滤波器过负荷保护 ：3 改进建议光电传感器具有良好的暂态响应特性
10、 ，能 真 实 、快 速 地 反 映 一次故障信号 ，同时又能以数字信号输出 ，取消了大量的二次电缆 ，为电力系统的安全运行 、节约成本 、高压设备无油化 、优化二次设备提供了坚实的基础3 4，因此天广与高肇等直流输电工程均采用了大量的光电传感器 。 但是 ，光电传感器属于精密仪器 ，在高温高压等较恶劣的环境下运行较长时间后 ，容易出现老化 、损坏等故障 。 近年来 ，天广和高肇直流输电系统直流线路电压分压器的光电传感器便多次 出 现 故 障 ， 对直流输电系统的安全稳定运行造成了较严重的影响 ，而且到目前为止 ，故障原因仍不明确 ，这给直流输电系统的稳定运行带来了极大的隐患 。天广和高肇等直
11、流输电系统中的两套直流滤波器保护系统为冗 余 配 置 ，任何一套保护系统动作都将直接出口 ；而其中的过负荷保护仅采用单一的直流电压测量值 ，所 以 ，一旦直流线路电压分压器的光电传感器发生故障导致电压测量值异常 ，极有可能导致过负荷保护误动 ，停运直流系统 ，给电网造成不良影响 。肇庆换流站目前实行的反措虽然可以有效的防止电压测量值异常导致过负荷保护误动 ，但同时也可能对过负荷保护原有功能造成一定影响 。 对此 ，不妨考虑引入电流闭锁条件 ：正常运行情况下 ， 直流输电系统整流侧为定电流控制方式 ，可以看作一个电压源 ； 而逆变侧可以看作通过调节等值阻抗 R， 实现定电压控制方式 ；其等效模型
12、如图 4 所示 ：图 4 直流输电系统正常运行时的等效模型根 据 图 4，如果直流线路电压实际值大幅升高 ，这 一 瞬 间 的 直流电流都必然发生巨大变化 。 所以 ，不妨考虑 采 用 如 图 5 所 示 的 改进措施 ：图 5 复合电流闭锁条件的直流滤波器过负荷保护此外 ， 如果将直流滤波器保护出口方式改为如直流保护系统的“三取二 ”原则 ，也可以提高保护动作的可靠性 ，但需要增加装置 ，实施难度相对较大 、造价也较高 。4 结论近年来 ， 天广和高肇直流输电系统直流线路电压分压器的光电传 感 器 多 次 出 现 故 障 ，造成直流滤波器过负荷保护误动 ，停 运 直 流系统 ，给系统造成一定
13、的不良影响 。在讨论了直流滤波器过负荷保护实现原理的基础上 ， 本文简介了天广及高肇直流输电系统中的误动实例 ，以及肇庆换流站采取的改 进 措 施 ，并提出了根据直流输电系统的特点 ，引入电流闭锁条件的改进建议 。参考文献1浙江大学发电教研组直流输电科研组 .直 流 输 电 M.水 利 电 力 出版社 ，19852袁懋振 .南方交直流混合电网的发展与挑战 .2005 亚太地区 IEEE/PES 输配电国际会议上的报告3曾庆禹 电力系统数字光电量测系统的原理及技术 J 电 网 技 术 ，2001，25(4)：1-54高 阳 ，张 海 燕 ，张 旭 鹏 .光电传感器在继电保护中的应用研究 J.沈阳工程学院学报 (自然科学版 )，2006,2（3）：233-236(作者单位系南方电网超高压输电公司广州局 )技术论坛76- -
