0 引言
輻亮度標準探測器[1~3]是基于探測器的輻射定標中的關鍵組成部分，其光學核心部件濾光片輻射計的響應度受溫度變化影響較大[3,4]。為了保證輻亮度標準探測器的精度和穩(wěn)定性，本文設計了一種基于單片機精密溫度控制系統[5]。該系統具有精度高、體積小、穩(wěn)定性好的特點，應用前景廣闊。

1 系統硬件設計
 本文所設計的精密溫控系統主要由數字溫度傳感器DS18B20[6,7]、AT89C55單片機、12位DA轉換器AD7248A[8]、半導體制冷器TEC、大電流驅動OPA548[9]、鍵盤、VFD顯示屏和RS－232串口通訊電路組成，其原理框圖如圖1所示。
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單片機根據DS18B20測得被控對象濾光片輻射計的溫度，與設定置相比較，經過PID[10]控制算法調整DA的輸出電壓，進而控制半導體致冷器TEC進行制冷或加熱實現被控對象的恒溫，同時由顯示屏實時顯示當前溫度。各主要模塊簡介如下：
1.1 數字式溫度傳感器DS18B20
DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的新一代數字式溫度傳感器，采用TO－92封裝。它具有獨特的單總線接口方式，將地址線、數據線、控制線復用為一根信號線，輸入輸出均為數字信號。這使得其與單片機接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的AD轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，由它組成的溫度測控系統非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。
DS18B20主要性能指標：（1）測溫范圍：-55～125℃，測量最高分辨率為0.0625℃，這是本系統實現控制精度要求的關鍵；（2）無需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數字量；（3）溫度轉換最大時間為750ms；（4）用戶可以設定報警溫度，存儲于EEPROM中。
1.2  12位數模轉換芯片AD7248A
本系統所選用的數模轉換器 DAC是美國 Analog Devices 公司的生產的AD7248A。這是一種帶有片載內置輸出放大器和基準電壓源的 12 位低功耗并行 DA轉換器，其數據輸出建立時間只需 30ns, 12 位數據以高 8 位和低 4 位分兩次寫入輸入鎖存器。在雙極性供電模式下，能產生±5V 的輸出電壓?？紤]到溫控模塊中的半導體致冷器件工作時需要雙極性電壓的特點，這里選擇雙極性供電工作模式。
1.3 大電流驅動OPA548
由圖 1 溫控系統框圖可以看到，12 位 DA芯片輸出的電壓信號要送往半導體致冷器，通過控制流過致冷器的電流大小進而控制濾光片的溫度高低。但從AD7248A 輸出的電壓信號，其電流驅動能力不夠強，因此需要加入電流驅動電路。設計中我們選用Burr-Brown 公司的大電流驅動集成芯片 OPA548，它可以提供峰值達5A連續(xù)3A的驅動電流。本系統采用雙極性供電模式，以配合DA轉換器的雙極性輸出，驅動半導體致冷器TEC實現加熱或制冷。
1.4 半導體致冷器TEC
基于Peltier效應的熱電致冷器是由多對熱電致冷對在電氣上串聯、在熱傳導上并聯組成，如圖2所示。熱電對由鉍碲化合物摻雜形成的 P 型和 N 型半導體構成，它們與銅片相接，銅片則與電氣上絕緣而導熱良好的瓷板相連接。單個這樣的器件兩端的溫差最高可達 70℃，串聯（多層）使用可提高溫差，并聯使用則可增加泵熱能力。

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熱電致冷器件特別適合于小熱量和受空間限制的溫控領域。改變加在器件上的直流電的極性即可變致冷為加熱，而吸熱或放熱率則正比于所加直流電流的大小。Pe1tier 溫控器的設定溫度可以在一個較寬的范圍內任意選擇，可選擇低于或高于環(huán)境溫度。
在本系統中我們選用了天津藍天高科電源有限公司生產的半導體致冷器件 TES1－12739,其最大溫差電壓 14.7V,最大溫差電流3.9A最大致冷功率33.7W。
1.5 其它部分
系統采用Samsung（三星）公司生產的真空熒光數碼顯示屏 VFD用來實時顯示當前溫度，以觀察控制效果。鍵盤和串行通信接口用來設定控制溫度和調整PID參數。系統電路原理圖如圖3所示。

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2  系統軟件設計
 系統開始工作時，首先由單片機控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過數字溫度傳感器 DS18B20 采樣被控對象的當前溫度值T1并送顯示屏實時顯示。然后，將該溫度測量值與設定值T比較，其差值送 PID控制器。PID 控制器處理后輸出一定數值的控制量，經DA 轉換為模擬電壓量，該電壓信號再經大電流驅動電路，提高電流驅動能力后加載到半導體致冷器件上，對溫控對象進行加熱或制冷。加熱或制冷取決于致冷器上所加電壓的正負，若溫控對象當前溫度測量值與設定值差值為正，則輸出負電壓信號，致冷器上加載負電壓溫控對象溫度降低；反之，致冷器上加載正向電壓，溫控對象溫度升高。上述過程：溫度采樣－計算溫差－PID調節(jié)－信號放大輸出周而復始，最后將溫控對象的溫度控制在設定值附近上下波動，隨著循環(huán)次數的增加，波動幅度會逐漸減小到某一很小的量，直至達到控制要求。為了加快控制，在進入PID控制前加入了一段溫差判斷程序。當溫度差值大于設定閾值Δt時，系統進行全功率加熱或制冷，直到溫差小于Δt才進入PID控制環(huán)節(jié)。圖4為系統工作主程序的軟件流程圖．

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3 結論
本文設計的基于單片機數字PID控制的精密溫度控制系統，在實際應用中取得了良好的控制效果，溫度控制精度達到±0.1℃。經48小時連續(xù)運行考驗，系統工作穩(wěn)定，有效地降低了輻亮度標準探測器的溫度系數，使輻亮度標準探測器在溫度變化較大的環(huán)境中也能保持其高精度，為實現基于探測器的高精度輻射定標的廣泛應用奠定了基礎。

本文作者創(chuàng)新點：在原來基于PC的PID溫控系統的基礎上，設計了由單片機、數字式溫傳感器DS18B20和半導體致冷器組成的精密溫度控制系統。該溫控系統的應用為高精度光輻射測量儀器－輻亮度標準探測器的小型化、智能化提供了有利條件。