基于半導(dǎo)體制冷器的微機(jī)溫控顯微系統(tǒng)

1、技術(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計算機(jī)信息（測控自動化）年第卷第期：現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用例控制系統(tǒng)基于半導(dǎo)體制冷器的微機(jī)溫控顯微系統(tǒng)（江蘇大學(xué)）徐曉斌劉長敏陳照章黃永紅摘要：本文介紹了一種精密溫控顯微系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行降溫、升溫和恒溫控制。該系統(tǒng)使用機(jī)作為控制平臺，采用自整定算法，調(diào)節(jié)輸出波的占空比來控制半導(dǎo)體制冷器的輸出功率。人機(jī)界面友好，控制精度高，溫度范圍，溫控精度可達(dá)。關(guān)鍵詞：溫度控制；半導(dǎo)體制冷器；自整定算法；中圖分類號：；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：（，）：，文章編號：（）引言隨著低溫生物學(xué)、低溫超導(dǎo)技術(shù)和低溫光電子技術(shù)的發(fā)展，要求有能夠提供低溫環(huán)境的顯微鏡，觀察樣品在低溫下的各種現(xiàn)象，如細(xì)胞內(nèi)外冰晶的

2、形成、細(xì)胞外形尺寸的變化，幫助探究某些材料的低溫特性，也可為生物材料的低溫保存提供依據(jù)。目前的低溫顯微鏡多為大型非固態(tài)系統(tǒng)，采用微電腦控制電磁閥調(diào)節(jié)液氮輸出進(jìn)行降溫。但它具有明顯的缺點：一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；二、電磁閥工作在低溫條件下，易被損壞，可靠性差；三、樣品冷卻腔和液氮輸送管道等暴露在環(huán)境中，液氮消耗量較大；四、降溫或升溫速率的控制范圍窄，無法實現(xiàn)超快速降溫、升溫，最好的升溫速率也只能是樣品暴露在環(huán)境中的自然升溫，而在研究低溫保存問題時，試樣的復(fù)溫曲線尤其重要。本文設(shè)計了一種基于半導(dǎo)體制冷片和電腦攝錄型生物顯微鏡的溫控顯微系統(tǒng)。控制核心采用機(jī)，人機(jī)界面友好，響應(yīng)快速，控制精度高，可實現(xiàn)

3、降溫、升溫和恒溫控制，用于實驗室觀測電磁場對生物體低溫保存的影響效果很好。系統(tǒng)簡述本文所設(shè)計的溫控顯微系統(tǒng)由機(jī)（內(nèi)插位數(shù)據(jù)采集卡）、鉑電阻溫度傳感器、小信號調(diào)理板、光電隔離器，橋驅(qū)動芯片，半導(dǎo)體制冷器、水冷散熱系統(tǒng)及電腦攝錄型顯微鏡組成，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，系統(tǒng)框圖如圖所示?？刂瞥绦虿捎米哉刂扑惴刂茩C(jī)產(chǎn)生波的占空比，從數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出接口輸出，通過橋驅(qū)動芯片控制的電流，從而控制的制冷量，實現(xiàn)對樣品的溫度控制。圖微機(jī)溫控顯微系統(tǒng)框圖圖鉑電阻調(diào)理板電路原理圖硬件設(shè)計鉑電阻溫度采集單元本系統(tǒng)采用鉑電阻溫度計（）作為溫度傳感器，鉑電阻具有精度高、線性度好，性能穩(wěn)定可靠的特點，尤其在氧化性介質(zhì)

4、中，高溫、低溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。為在實驗中能比較制冷器冷端環(huán)境溫度與試樣內(nèi)部溫度，將兩個鉑電阻分別置入制冷徐曉斌：教授基金項目：國家自然科學(xué)基金（基金號：）：元年技術(shù)創(chuàng)新控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用例片導(dǎo)熱板及試樣中進(jìn)行檢測。小信號阻調(diào)理板采用三線恒流激勵方式，可有效消除引線電阻與接觸電阻對測量結(jié)果的影響。電路原理如圖所示。鉑電阻到調(diào)理板用三條線連接，其中一條線接在鉑電阻的一端，而另外兩條線連在鉑電阻的另一端。電流由兩線中的一線流下為，兩線中的另一線、鉑電阻和鉑電阻之后的那一線分別流過電流。這樣通過差分放大器，可減掉三條導(dǎo)線上的壓降，從而準(zhǔn)確地測出鉑電阻電壓。放大后的信號經(jīng)濾波后輸入到采集卡中。

5、半導(dǎo)體制冷器半導(dǎo)體制冷器又稱為熱電制冷器（，），其基本原理是結(jié)的帕爾帖效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個不同導(dǎo)體形成的接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象。其制冷量和散熱量的大小可以由如下表達(dá)式描述：（）（）其中：為熱電系數(shù)，為冷端溫度，為熱端溫度，為工作電流為半導(dǎo)體電阻，為導(dǎo)熱率，為冷熱端溫差。當(dāng)電流由半導(dǎo)體結(jié)的型半導(dǎo)體流向型半導(dǎo)體時，形成電子空穴對而吸收熱量，相反，則電子空穴對結(jié)合而釋放熱量，利用半導(dǎo)體的這種特性就可以實現(xiàn)制冷或加熱的功能。其主要特點有：（）功能全，制冷制熱兩用，溫度調(diào)節(jié)范圍較大，而且調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換方便。（）制冷量連續(xù)可調(diào)，溫度升降速度快且調(diào)節(jié)自由。（）其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、控制自由簡便。本系統(tǒng)

6、所用半導(dǎo)體制冷片型號為。它是一種陶瓷式半導(dǎo)體制冷器，由對結(jié)串聯(lián)而成，引出兩根導(dǎo)線。允許通過的最大電流，最大電壓，室溫下最大制冷溫差，最大制冷量。加上電源時，一端吸熱，溫度降低的表面為冷端；一端放熱，溫度升高的表面為熱端，如顛倒兩根導(dǎo)線的接法，則冷熱端也會顛倒。因此當(dāng)一端使用水冷散熱時，通過改變電流方向即可制冷和加熱。受環(huán)境以及熱損耗影響，實際實驗過程中，可以調(diào)節(jié)的溫度范圍在之間。如用多片半導(dǎo)體制冷器級聯(lián)即可獲得更大的制冷量。電腦攝錄型顯微鏡觀測系統(tǒng)由式（）可知半導(dǎo)體制冷器件具有熱端溫度越高、冷熱端溫差越大、制冷量越小、效率越低的特點。因此若想提高半導(dǎo)體制冷器的效率，就必須控制器件的熱面溫度，使

7、之不能太高。因此有效散熱是半導(dǎo)體制冷技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)對普通電腦攝錄型顯微鏡進(jìn)行了改裝，主要是增加了熱端水冷式低溫臺部分，采用效率較高的循環(huán)液冷散熱，冷卻液采用添加了冰塊的水。由于冰水混合物的溫度恒定約為，這相當(dāng)于流入散熱器的水溫度都保持在左右。制冷器通電后很快降溫，并保持長時間低溫。經(jīng)實驗可在分鐘內(nèi)將一滴水完全凍潔。熱端水冷式散熱方法具有其它散熱式無可比擬的優(yōu)勢。同時將載物臺的垂直移動齒輪改裝，增大載物臺到物鏡的垂直距離，以便放置較大體積的制冷腔體；并增加了垂直照明系統(tǒng)，便于觀測不透明，或凍結(jié)后不透明的樣本；由于觀測過程中需要對生物樣本進(jìn)行冷凍，而照明系統(tǒng)中使用的是鹵素光源產(chǎn)生大量的熱

8、，會對降溫強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，因此，將之替換為冷光源；顯微鏡頂端配有高分辨率攝像機(jī)，并與插于計算機(jī)主板的圖像采集卡相連，將觀測到的生物樣本變化過程的影像傳送到電腦中，便于實時觀測和實驗后的分析研究。橋驅(qū)動芯片為了實現(xiàn)對樣品的降溫升溫控制，需要執(zhí)行部件對半導(dǎo)體制冷器能夠輸入正反向電流，橋型驅(qū)動電路能很好的滿足此設(shè)計要求。本系統(tǒng)采用英飛凌公司的橋驅(qū)動芯片。內(nèi)部包括了功率的橋電路，具有較高的開關(guān)速度以及較高的噪聲容限和抗干擾能力，驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器工作。最大工作電壓，最大工作電流為連續(xù)電流，峰值電流；具有輸出短路保護(hù)，過熱保護(hù)；電平輸入；工作溫度范圍之間。芯片與數(shù)據(jù)采集卡通過光耦的連接

9、電路如圖所示，數(shù)據(jù)采集卡口輸出值與芯片輸入輸出邏輯見表。圖橋驅(qū)動芯片電路原理圖表功能真值表控制程序設(shè)計控制流程簡述控制程序用語言編寫，控制流程如圖所示。首先對采集卡進(jìn)行初始化，數(shù)字量輸出技術(shù)創(chuàng) 新中文核心期刊微計算機(jī)信息（測控自動化）年第卷第期：現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用例控制系統(tǒng)口輸出為；第一次采集溫度并顯示在屏幕上，作為設(shè)置控溫點的參考；利用自整定算法將控溫值與當(dāng)前采集的溫度值進(jìn)行比較，計算出第一次電流控制數(shù)據(jù)并輸出；掃描鍵盤，確定是否更改控溫點或是退出；經(jīng)過采樣延遲時間后，進(jìn)行第二次溫度的采集、控制，如此循環(huán)直至接受鍵盤命令退出控制程序，退出前仍需對數(shù)字量口輸出，使半導(dǎo)體制冷器中的電流為零。圖軟件

10、流程圖數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器由于能夠較好地兼顧系統(tǒng)動態(tài)控制和靜態(tài)性能，因此在工程中得到了很普遍的應(yīng)用。利用計算機(jī)實現(xiàn)傳統(tǒng)的控制是設(shè)計計算機(jī)控制系統(tǒng)的一種方便、常用的方法。對連續(xù)系統(tǒng)離散化后可得到數(shù)字化調(diào)節(jié)器，其增量式為：其中：采樣周期；：比例系數(shù)；：積分時間；：微分時間；：時刻的誤差值。根據(jù)條件，令；其中，為被控系統(tǒng)的臨界振蕩周期。將上述條件代入增量式算式得出：這樣調(diào)節(jié)器就簡化為只需整定一個參數(shù)。在本系統(tǒng)中，控制程序在線尋優(yōu)值，實現(xiàn)控制參數(shù)的自整定，直到獲得滿意的控制效果。在控制程序中，的值作為波的占空比送給子程序，的值限定的之間，若，則令其為，若，則令其為，本系統(tǒng)中的初值為。鉑電阻傳感器的

11、線性化校正鉑電阻的阻值與溫度之間不是線性關(guān)系，因此需要對其進(jìn)行校正。選取分度表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫度阻值方程：。將測得的電阻值帶入即可得到所需的溫度值數(shù)字濾波為減小干擾，保證顯示和控制的溫度的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，采集的溫度值經(jīng)數(shù)字濾波處理后再顯示和送入模塊中運算?？刂瞥绦蛑胁捎玫臄?shù)字濾波的表達(dá)式為：其中（，）為溫度采樣值，每個采樣周期對連續(xù)采樣的個溫度值進(jìn)行處理。結(jié)論本文作者創(chuàng)新觀點：設(shè)計了一種利用半導(dǎo)體熱電器件的獨特性質(zhì)及橋的雙向驅(qū)動能力實現(xiàn)升溫降溫及恒溫控制的微機(jī)溫控顯微系統(tǒng)。具有體積小、無噪聲、無污染、無振動、無制冷劑、穩(wěn)定性好、可靠性高、運行壽命長等優(yōu)點。筆者所在課題組在使用本系統(tǒng)研究電磁場對生物體低溫保存影響的過程中，經(jīng)測定，最大降溫速率可達(dá)到，控制精度為，并能得到較為理想的降溫與復(fù)溫曲線。若采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，即可構(gòu)成小型溫控顯微鏡的實用化系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：，；張翠蓮，楊家強(qiáng)等；鉑電阻溫度傳感器的非線性特性及其線性化校正方法微計算機(jī)信息；，：作者簡介：徐曉斌（）男，陜西西安，教授，主要從事微電子物理與材料方