EMBCCD的制冷系统设计

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对于微光成像器件 EMBCCD而言，温度对其成像性能有重要影响。EMBCCD在对信号增强的同时遗大了暗电流噪声，而降低暗电流噪声最有效的手段是对芯片进行制冷。笔者设计的制冷系统，采用PID控制制冷片，从而使 EMBCCD工作在-个稳定的低温环境中。该设计具有很好的市场前景。

2 系统整体设计方案本系统主要由上位机主机、单片机及相关温度控制电路和TEC制冷回路组成。其中下位机分机与数字温度传感器 DS18B20之间通过 I/O口直接连接。

图 1 制冷系统整体设计3 系统硬件电路设计(1)数据处理部分采用 AVR系列的 Atmega 8单片机。

(2)数据采集部分采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20芯片。DS18B20是-种数字温度传感器，适合于恶劣环境的现场温度采集，温度测量范围为-55～125℃，工作电压范围为3～5.5 V。

(3)温度控制执行部分用-条 I/0线将单片机与可控硅的制端相连接，并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间来完成对加热装置的控制。

(4)被控部分：三级半导体制冷片采用 TEC3～127-71-31，其最大工作电流 1.8A，最大工作电压12V。EMBCCD 芯 片 是 E2V 技 术 公 司推 出 的L3Vision TM系列产品中的-款型号为 CCD97-00的芯片。芯片最新采用输出信号放大器电路，点频为11 MHz(即场频为5O Hz)。

温度传感器 DS18B20测得目标的温度并转换成数字量，然后依次传给单片机。单片机运行 PID算法，输出 pwm信号，该信号送至驱动电路，以此来驱动 tec制冷。

4 系统的软件设计该软件主要完成与上位机通讯，接受上位机的控制参数，完成数据的采集，PID运算计算控制量以及向上位机传送温度信息量。其中 PID控制算法是关键。PID控制器的输出 (t)与输入 e(t)之间存在比收稿日期：2013-03-06作者简介：王景奕(1964-)，男，吉林长春人，副教授，研究方向：材料科学技术检测技术。

· 154·· 机械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 检测与控制例、积分、微分的关系，用下式表示出来：) ) ) ] (1)式中：e(t)r(t)-Y(t)；K。是 比例增益；Ti是积分时间；Ta是微分时间。

该控制器各个参数对系统的动态和稳态性能起着不同的作用，这 3个参数的取值优劣将直接影响PID控制系统的控制品质好坏 。

比例作用就是以比例形式来反应系统的偏差信号 e(t)，以最快速度来产生控制作用，使偏差逐渐趋于减校积分作用，主要是为了在稳态状态下，满足被控量对设定值的无静差跟踪。微分作用主要改善闭环系统的动态特性和稳定性。微分作用常规使用会与比例作用、比例积分作用联合，构成 PD控制器或者 PID控制器 。

由于计算机采用数字采样控制，式(1)中的积分和微分项都不能被直接识别，因此需对这两项进行离散化处理～采样时刻点系列化，KT代表连续时间t，积分用和式来表示，微分用增量来表示，将参数近似变换：tKT (2)㈩d ∑ ( TZke( ) (3)： (4) d 、将算式为： 丝 兰 业 简化为： 二得到控制器输出：( )K e( ) T∑ ( ))二 (5)即：( )Kpe( )Ki∑ ：。e( )十Kd[e( )-e(k-1)] (6)式中：K 为比例增益；Ki为积分系数；KiK ；Kd为积分系数，KaK。 /T。

由位置式算法，可导出提供增量的PID算法。根据递推原理可得：u(k-1)Kpe( -1)K ∑ ( ) ×[e(k-1)-e(k-2)] (7)Au(k)Kp[e(k)-e(k-1)]K e(k)[e(k)-2e(k-1)e(k-2)](8)增量式 PID控制与位置式 PID控制相比，增量式PID控制中增量 △ (k)仅撒于最近的第 k次的采样值 ，这样运算就可通过加权来处理，节省处理时间。

且经过几次对比实验发现增量式相对来说调试时间短-些，容易得到良好的控制效果。所以在该程序中运用到增量式式(8)进行的编程，流程如图2所示。

图 2 PID算法流程图当温度没有降到 目标温度时，采取全功率制冷，设置占空比为 1，使温度眷下降。当温度降到 目标温度误差范围之内时，调用 PID控制拈完成控制系统 PID运算并输出相应占空比的PWM信号，从而控制制冷片的工作电压。当温度低于设定温度误差范围时，要降低占空比甚至为 0，使控制制冷片工作的时间缩短，从而使温度回升。如果回升过冲，则应适当提高这种情况下的占空比，使得温度缓和回升，不致使得温度低于目标温度范围太大。基于上述分析，设计系统整体工作流程如图3所示。

图3 系统整体工作流程图· 155·检测与控制 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·5 系统整体组装整个系统设计的制冷摄像机的结构如 4所示。

制冷腔体主要包括光学窗口、密封腔和散热管等。制冷腔由铝合金材料制成，将密封腔与摄像机壳体-体化后，可提高密封腔的气密性。制冷腔壳体内插有若干热管，可将密封腔的制冷片热端的热量迅速导出壳体外壁，通过壳体壁将热量辐射到周围空气中。在该设计中，还可根据实际需求在壳体外部安装风扇来加速散热和提高散热效率。

--图4 制冷相机系统设计6 实验结果分析本次实验用 PID算法来控制制冷片对 EMBCCD芯片制冷，使制冷温度达到-10℃左右，误差±0.5℃。其 PID参数微调过程是-个相对困难的部分。

在反复调试直到得到较理想数据的过程中，经验总结如表 1所列。另外，从实验现象上来看，程序能通过PID算法调节 PWM输出波形，使其控制制冷片的功率，进而使系统达到精度范围内，并且能够得到较好地温度曲线，如图5所示。

图5 稳定低温曲线表 1 调试经验总结7 结 语针对EMBCCD需要较低的稳定的温度环境进行工作的问题，提出了运用 PID算法控制的设计。深入阐述PID原理的基础上，采用增量式控制算法。通过对PID参数作用的理解及多次调试实验，得到了-些可取的规律～重要器件组装在制冷腔内，已初步完成了温控系统设计。该系统结构简单 ，具有较高的灵活性。