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，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 ，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，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 ，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 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，1985 2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)：1-5 4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-