基于半导体制冷器的微机温控显微系统(精)

1、技术创新中文核心期刊微计算机信息（测控自动化）2 0 0 6年第22卷第121期/:现场总线技术应用2 0 0例控制系统基于半导体制冷器的微机温控显微系统Amicroscopesystemwithcomputercontrolledtemperaturebasedonthermalelect ricalcooler（江苏大学）徐晓斌刘长敏陈照章黄永红XUXIAOBINLIUCHANGMINCHENZHAOZHANGHUANGYONGHONG摘要：本文介绍了一种精密温控显微系统，利用半导体制冷器进行降温、升温 和恒温控制。该系统使用PC机作为控制平台，采用自整定PID算法，调节输出PWM波的占空

2、比来控制半导体制冷器的输 出功率。人机界面友好，控制精度高，温度范围-2 0oC6 0oC，温控精度可达0. 1oC。关键词：温度控制；半导体制冷器；自 整定PID算法；PWM中图分类号：TP273.24;TB663文献标识 码：AAbstract:Aprecisetemperaturecontrolsystemformicroscopeisprovidedinthispaper.Thesystemismadeupofsemiconductorcooler(TEC,thermalelectricalcooler)whichiscontrolledbyaPCwithPIDarithmetic.A

3、ndusethedutyratioofPWMtocontr oltheoutputpowerofTEC.Temperatureran gereaches 20oC60oCandtheerrorofthetemperaturecontrolledisO.loC.Keywords:temperaturecontrol,semiconductorcooler,selfsett ingPIDarithmetic,PWM文章编号：l 008 0570 (2006) 12 1 0028 031引言随着低温生物学、低温超导技术和低温光电子技术的发展，要求有能够提供低 温环境的显微镜，观察样品在低温下的各种现

4、象，如细胞内外冰晶的形成、细胞外 形尺寸的变化，帮助探究某些材料的低温特性，也可为生物材料的低温保存提供依 据。目前的低温显微镜多为大型非固态系统，采用微电脑控制电磁阀调节液氮输出 进行降温。但它具有明显的缺点：一、结构复杂，成本较高；二、电磁阀工作在低 温条件下，易被损坏，可靠性差；三、样品冷却腔和液氮输送管道等暴露在环境 中，液氮消耗量较大；四、降温或升温速率的控制范围窄，无法实现超快速降温、 升温，最好的升温速率也只能是样品暴露在环境中的自然升温，而在研究低温保存 问题时，试样的复温曲线尤其重要。本文设计了一种基于半导体制冷片和电脑摄录 型生物显微镜的温控显微系统。控制核心采用PC机，人

5、机界面友好，响应快速， 控制精度高，可实现降温、升温和恒温控制，用于实验室观测电磁场对生物体低温 保存的影响效果很好。2系统简述本文所设计的温控显微系统由PC机（内插12位A/D数据采集卡）、铂电阻温度传感器、小信号调理板、光电隔离器，H桥驱动芯片，半导体制冷 器、水冷散热系统及电脑摄录型显微镜组成，构成闭环控制回路，系统框图如图1所示。控制程序采用自整定PID控制算法控制PC机产生PWM波的占空比，从 数据采集卡的数字量输出接口输出，通过H桥驱动芯片控制TEC的电流，从而控 制TEC的制冷量，实现对样品的温度控制。图1微机温控显微系统框图图2铂电阻调理板电路原理图3硬件设计3.1铂电阻温度采

6、集单元本系统采用铂电阻温度计（WZPPtlO 0）作为温度传感器，铂电阻具有 精度高、线性度好，性能稳定可靠的特点，尤其在氧化性介质中，高温、低温下的 物理、化学性质都很稳定。为在实验中能比较制冷器冷端环境温度与试样内部温 度，将两个铂电阻分别置入制冷徐晓斌：教授基金项目：国家自然科学基金（基金号：5 0 3 0 7 0 0 5）3 6 0元/年技术创新控制系统PLC技术应用2 0 0例片导热板及试样中进行检测。小信号阻调理板采用三线恒流激励方式，可有效消除引线电阻与接触电阻对测 量结果的影响。电路原理如图2所示。铂电阻到调理板用三条线连接，其中一条线 接在铂电阻的一端，而另外两条线连在铂电阻

7、的另一端。电流由两线中的一线流下 为2 mA，两线中的另一线、铂电阻和铂电阻之后的那一线分别流过1mA电流。这样通过差分放大器，可减掉三条导线上的压降，从而准确地测出铂电阻电压。放大后的信号经滤波 后输入到A/D采集卡中。3.2半导体制冷器半导体制冷器又称为热电制冷器(TEC，thermalelectricalcooler)，其基本原理是PN结的帕尔帖效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点 处会产生放热和吸热现象。其制冷量QC和散热量Qh的大小可以由如下表达式描 述：(1)(2)其中：a为热电系数，Tc为冷端温度，Th为热端温度，1为工作电流R为 半导体电阻，k为导热率，AT为冷热端温差。当

8、电流由半导体PN结的N型半导体流向P型半导体时，形成电子一空穴对 而吸收热量，相反，则电子-空穴对结合而释放热量，利用半导体的这种特性就可 以实现制冷或加热的功能。其主要特点有：(1)功能全，制冷/制热两用，温度调节范围较大，而且调节转换方便。(2)制冷量连续可调，温度升降速度快且调节自由。(3)其体积小、重量轻、结构简单、控制自由简便。本系统所用半导体制冷片型号为FPH11 27 0 5。它是一种陶瓷式半导体制冷器，由12 7对PN结串联而成，引 出两根导线。允许通过的最大电流Imax = 5.0A，最大电压Vmax=1 5.4V，室温下最大制冷温差ATmax6 8C,最大制冷量Qmax =

9、 45W。加上电源时，一端吸热，温度降低的表面为冷 端；一端放热，温度升高的表面为热端，如颠倒两根导线的接法，则冷热端也会颠 倒。因此当一端使用水冷散热时，通过改变电流方向即可制冷和加热。受环境以及热损耗影响，实际实验过程中，可以调节的温度范围在20C60C之间。如用多片半导体制冷器级联即可获得更大的制冷量。3.3电脑摄录型显微镜观测系统由式(1)可知半导体制冷器件具有热端温度越高、冷热端温差越大、制冷量 越小、效率越低的特点。因此若想提高半导体制冷器的效率，就必须控制器件的热 面温度，使之不能太高。因此有效散热是半导体制冷技术中的重要环节。本系统对 普通电脑摄录型显微镜进行了改装，主要是增加

10、了热端水冷式低温台部分，采用效 率较高的循环液冷散热，冷却液采用添加了冰块的水。由于冰水混合物的温度恒定 约为0C,这相当于流入散热器的水温度都保持在0C左右。制冷器通电后很快降 温，并保持长时间低温。经实验可在3分钟内将一滴水完全冻洁。 热端水冷式散热 方法具有其它散热式无可比拟的优势。同时将载物台的垂直移动齿轮改装，增大载 物台到物镜的垂直距离，以便放置较大体积的制冷腔体；并增加了垂直照明系统， 便于观测不透明，或冻结后不透明的样本；由于观测过程中需要对生物样本进行冷 冻，而照明系统中使用的是卤素光源产生大量的热，会对降温强度产生一定影响， 因此，将之替换为冷光源；显微镜顶端配有高分辨率摄

11、像机，并与插于计算机主板 的PCI图像采集卡相连，将观测到的生物样本变化过程的影像传送到电脑中，便 于实时观测和实验后的分析研究。3.4H桥驱动芯片TLE52062为了实现对样品的降温/升温控制，需要执行部件对半导体制冷器能够输入正 /反向电流，H桥型驱动电路能很好的满足此设计要求。本系统采用英飞凌公司的H桥驱动芯片TLE52062。TLE5206 2内部包括了功率MOSFET的H桥电路，具有较高的开 关速度以及较高的噪声容限和抗干扰能力，驱动能力强，可直接驱动半导体制冷器 工作。最大工作电压4 0V，最大工作电流为连续电流5A，峰值电流6A;具有 输出短路保护，过热保护；CMOS/TTL电平

12、输入；工作温度范围40o C15 0oC之间。芯片与数据采集卡通过光耦TLP521的连接电路如图3所示，数据采集卡I/O口输出值与芯片输入输出逻辑见表1。图3H桥驱动芯片电路原理图表1TLE5 2 06 2功能真值表4控制程序设计4.1控制流程简述控制程序用VisualBasic语言编写，控制流程如图4所示。首先对A/D米集卡进行初始化，数字量输出2 9 技术创新中文核心期刊微计算机信息（测控自动化）2 0 0 6年第22卷第121期/:现场总线技术应用2 0 0例控制系统口输出为0;第一次采集温度并显示在屏幕上，作为设置控温点的参考；利用 自整定PID算法将控温值与当前采集的温度值进行比较，

13、计算出第一次电流控制 数据并输出；扫描键盘，确定是否更改控温点或是ESC退出；经过采样延迟时间 后，进行第二次温度的采集、PID控制，如此循环直至接受键盘命令退出控制程 序，退出前仍需对数字量I/O口输出0,使半导体制冷器中的电流为零。图4软件流程图4.2数字化自整定PID调节器PID调节器由于能够较好地兼顾系统动态控制和静态性能，因此在工程中得 到了很普遍的应用。利用计算机实现传统的PID控制是设计计算机控制系统的一 种方便、常用的方法。对连续系统PID离散化后可得到数字化调节器，其增量式 为：其中：T:采样周期；Kp:比例系数；Ti:积分时间；Td:微分时间；ci:i时刻的误差值。根据Zi

14、egler-Nichols条件，令T = 0.1Tk；Ti=0.5Tk；Td =0.125Tk；其中，Tk为被控系统的临界振荡周期。将上述条件代入增量式PID算式得 出：这样PID调节器就简化为只需整定一个参数Kp。在本系统中，控制程序在线寻优Kp值，实现控制参数的自整定，直到获得满意的控制效果。在控制程序中，的值作为PWM波的占空比送给PWM子程序，un的值限定的010 0之间，若unV0,则令其为0,若un100,则令其为100,本系统中Kp的初值为100。4.3铂电阻传感器的线性化校正铂电阻的阻值与温度之间不是线性关系，因此需要对其进行校正。选取Pt10 0分度表中30oC80oC的数据

15、进行拟合，得到温度-阻值方程：。将测得的电阻值带入即可得到所需的温度值4.4数字滤波为减小干扰，保证显示和控制的温度的稳定性、准确性，采集的温度值经数字滤波处理后再显示和送入PID模块中运算。控 制程序中采用的数字滤波的表达式为：其中yi (i=n,n 1)为温度采样 值，每个采样周期对连续采样的10 0个温度值进行处理。5结论本文作者创新观点：设计了一种利用半导体热电器件的独特性质及H桥的双向 驱动能力实现升温/降温及恒温控制的微机温控显微系统。具有体积小、无噪声、 无污染、无振动、无制冷剂、稳定性好、可靠性高、运行寿命长等优点。笔者所在 课题组在使用本系统研究电磁场对生物体低温保存影响的过

16、程中，经测定，最大降 温速率可达到5C/mi n，控制精度为0. 1oC，并能得到较为理想的降温与 复温曲线。若采用单片机作为控制系统的核心部件，即可构成小型温控显微镜的实 用化系统。参考文献:1BaartzG，BrockMA;AmicroprocessorcontrolledrateucontrollerforuseincryoperservationJ;Cryobiology;1979;1 6;4 9 7 5 0 5 2张翠莲，杨家强等；铂电阻温度传感器的非线性特性及其线性化校正方法J.微计 算机信息；2002，1:4345作者简介：徐晓斌(1 9 7 4)男，陕西西安，教授，主要从事微电

17、子物理与材料方面的研究；刘长敏(1 9 8 1)男，江苏镇江，硕士研究 生，专业：控制理论与控制工程，研究方向：温度控制。Biography:Xu，xiaobin(1974)male，Xi/anShanxi，researchfieldismicroelectronicphysicsandmaterial;Liu，changmin(1981)male,ZhenjiangJiangsu,majorincontr oltheoryandcontrolengineering,researchdirectionistem peraturecontrol（212013镇江江苏大学电气信息工程学 院）徐晓斌刘长敏陈照章黄永红（SchoolofElectronicsandlnformationEngineering,JiangshuUniversity,Zhenjiang21