專利名稱：雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，特別是涉及一種適用于紅外成像系統(tǒng)中焦平面陣列恒溫控制的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)。
背景技術：
紅外焦平面陣列是利用紅外輻射引起熱敏感像元溫度上升，導致自身阻值變化， 改變讀出電壓值，從而探測目標溫度特性。因此，熱敏感像元的性能將直接影響非致冷紅外焦平面的探測靈敏度。而紅外焦平面陣列在工作時，自身會散發(fā)熱量，同時也會與周圍環(huán)境不斷進行熱交換，如果不加以控制，其工作的基準溫度很容易受所處環(huán)境的影響而發(fā)生漂移。因此，只有盡量使非致冷紅外焦平面陣列所有像元工作在均勻、恒定的溫度下，才能從根本上提高非致冷紅外焦平面的輸出性能，抑制由此引起的工作點漂移。所以設計一個高精度的恒溫系統(tǒng)，是高性能非致冷焦平面系統(tǒng)設計的重要組成部分。伴隨紅外成像技術應用范圍的不斷擴大，其工作的溫度范圍也變得越來越寬泛， 所要適應的環(huán)境條件也變得越來越苛刻。由于現(xiàn)有的FPA溫度控制器多采用由分立阻容器件及運算放大器搭建而成的模擬PID控制電路。此時，阻容器件的參數(shù)溫漂大，容易受環(huán)境影響，導致控制器魯棒性差的缺點也顯現(xiàn)出來，直接影響了溫度控制效果。另外，便攜式紅外成像系統(tǒng)的功耗是衡量其性能的一個關鍵指標，由于工作溫度范圍的擴大，單點恒溫控制會帶來很大的功率消耗，出于降低功耗，延長工作時間的考慮，可取的辦法是分級進行溫度控制，而傳統(tǒng)的模擬PID控制器不具備在系統(tǒng)動態(tài)設置恒溫點的功能。此外，模擬控制器還存在控制器模型固定單一、參數(shù)整定不方便、控制精度不高、 抗干擾能力差等缺點，在功率輸出級，傳統(tǒng)的線性功率管輸出模式也存在容易受環(huán)境因素影響、內阻高、恒溫點附近線性度差等缺點，使其難以滿足日益發(fā)展的系統(tǒng)設計數(shù)字化、智能化、可動態(tài)配置化的要求。由此可見，上述現(xiàn)有的紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。如何能創(chuàng)設一種魯棒性好、控制精度高、效率高、參數(shù)整定方便的新的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，實屬當前本領域極需改進的目標。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)， 使其具有加熱、制冷雙向溫控功能，恒溫溫度可動態(tài)設置，解決現(xiàn)有焦平面恒溫控制系統(tǒng)魯棒性差、控制精度低、效率不高、控制器模型單一、參數(shù)整定不方便等問題。為解決上述技術問題，本實用新型為一種雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)， 主要包括紅外圖像探測器、微控制器和可逆H橋功率電路，其中紅外圖像探測器包括溫度傳感器、帕爾貼模塊和紅外焦平面陣列；溫度傳感器輸出的信號經微控制器處理后，驅動可逆H橋功率電路控制流經帕爾貼模塊的電流。作為本實用新型的一項改進，所述的微控制器還連接有隔離通信接口電路。[0009]所述的可逆H橋功率電路與帕爾貼模塊之間還設置有濾波電路。所述的溫度傳感器輸出的信號先經過信號調理電路和A/D采樣電路，再輸入微控制器。所述的微控制器集成有ADC。采用這樣的結構后，本實用新型與現(xiàn)有技術相比控制器模型不受環(huán)境溫度變化影響，系統(tǒng)魯棒性好；恒溫溫度可根據(jù)需要實時設置，便于實現(xiàn)分級溫控，以降低系統(tǒng)功耗； 通過在系統(tǒng)編程，可實現(xiàn)更為復雜和優(yōu)化的控制算法，參數(shù)整定方便；抗干擾能力強；具有很高的溫度控制精度和工作效率。
上述僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。圖1是本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的電路連接示意圖。圖2是本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的信號調理電路圖。圖3是本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的微控制器(集成A/D) 電路圖。圖4是本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的可逆H橋功率電路及濾波電路圖。圖5是本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)的隔離通信電路圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，主要包括紅外圖像探測器、微控制器和可逆H橋功率電路，此外還包括信號調理電路、A/D采樣電路、隔離通信接口電路和濾波電路。其中，紅外圖像探測器集成有紅外焦平面陣列(FPA)以及溫度傳感器和帕爾貼 (Peltier，半導體制冷片、熱電半導體致冷組件等)模塊，與信號調理電路、A/D采樣電路、 微控制器、可逆H橋功率電路和濾波電路一起構成反饋式閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。信號調理電路將溫度傳感器輸出的信號濾波，并將其動態(tài)范圍放大至與A/D采樣電路的輸入范圍盡量接近的合適范圍。A/D采樣電路接收信號調理電路的輸出，并將其量化成數(shù)字信號。微控制器接收A/D采樣電路輸出的數(shù)字信號，并實時與系統(tǒng)溫度設置做比較，經由一定的控制算法處理后轉換為具有一定方向和占空比的PWM(Pulse Width Modulation, 脈沖寬度調制)信號。出于縮小印制板面積的考慮，采用集成ADC(Anal0g-t0-Digital Converter,指模/數(shù)轉換器或者模擬/數(shù)字轉換器)的微控制器，使整個系統(tǒng)簡練可靠，占用PCB空間少，工作效率高，在使用過程中可達到0. 02的恒溫精度。微控制器輸出的PWM信號驅動可逆H橋功率電路按一定程式輸出，實時改變流經帕爾貼模塊的電流大小和方向，使帕爾貼模塊工作在加熱或制冷模式，進而實現(xiàn)紅外焦平面的加熱或制冷雙向恒溫控制。濾波電路設置于可逆H橋功率電路與帕爾貼模塊之間，起到抑制電流紋波，減少可逆H橋功率電路部分電磁輻射的作用，以最大限度的降低其對系統(tǒng)其它部分的影響。隔離通信接口電路與微控制連接，并可以實時與其它微處理器交互，以實現(xiàn)焦平面工作溫度的恒溫溫度動態(tài)設置，方便實現(xiàn)分級溫控。請配合參閱圖2所示，信號調理電路可采用TI (Texas Instruments,德州儀器) 公司的0PA2378運算放大器，其具有極低噪聲和極低溫漂。以本專利所采用的紅外圖像探測器為例，其溫度傳感器輸出響應率為6. 45mV/K，30°C時的輸出電壓為1. 75V，當工作范圍為-40°C -50°C時，其輸出電壓動態(tài)范圍僅為0. 5805V,因此有必要將其動態(tài)范圍放大，以提高A/D采樣的轉換精度。圖中VTEMP為模擬溫度輸出，減去一個固定基準1. 60V之后，再行濾波，同時放大4倍，調理之后的輸出信號為TEMP。1. 6V基準來源于美信的低溫漂、低噪聲基準源MAX6U6A25，通過精密電阻分壓得到。請配合參閱圖3所示，微控制器(集成A/D采樣電路)可采用Silicon Labs (芯科實驗室)的高性能、微封裝微控制器C8051F530A，其內部集成了 12位ADC，串行通信接口 USART，用于PWM生成的可編程計數(shù)器陣列PCA。有利于縮小系統(tǒng)尺寸，同時提供良好的工作性能。ADC直接采樣信號調理電路輸出TEMP，同時通過串行接口 USART接收溫度設置指令。這兩個值經處理后作為Fuzzy-PID溫度控制算法的輸入。計算結果經過邏輯轉換后輸出HE和CL兩個信號至功率驅動部分，包含了占空比和方向信息。溫度控制算法可通過仿真器方便的在系統(tǒng)配置和調試。MAX6U6A25提供2.5V基準給微控制器的內置ADC。此夕卜， C8051F530A還外接了高亮LED，做為達到溫度設定的狀態(tài)指示。請配合參閱圖4所示，可采用ROHM半導體株式會社的BD6211作為可逆H橋功率電路的驅動，兩個Π型濾波電路可以抑制輸出紋波，減小電流脈動。同時有利于輻射干擾的抑制?？刂戚斎霝镠E和CL，濾波之后的功率輸出為TEC+和TEC-，直接連接到紅外圖像探測器的帕爾貼模塊。請配合參閱圖5所示，隔離通信接口電路，可采用MS0P8封裝的IL611A-1E，其提供了隔離串行通信接口的功能，溫度設置指令經由D_T)(D和D_RXD輸入，隔離輸出為T)(D和 RXD，直接與微控制器相連。本實用新型雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)加熱和制冷的數(shù)字化雙向恒溫控制，恒溫溫度可經由隔離數(shù)字接口動態(tài)配置，采用了微控制器實現(xiàn)數(shù)字溫度控制算法，并具備在系統(tǒng)編程能力，控制器模型可重新配置，能實現(xiàn)更為復雜和優(yōu)化的算法，參數(shù)整定快捷方便，且魯棒性更好、控制精度和效率也都獲得提高。此外，采用類似于本實用新型的系統(tǒng)設計，也可以將紅外圖像探測器替換為其它溫度傳感、控制裝置，從而可適用于諸如半導體激光器、慣導系統(tǒng)等需要恒溫控制的領域。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，其特征在于主要包括紅外圖像探測器、 微控制器和可逆H橋功率電路，其中紅外圖像探測器包括溫度傳感器、帕爾貼模塊和紅外焦平面陣列；溫度傳感器輸出的信號經微控制器處理后，驅動可逆H橋功率電路控制流經帕爾貼模塊的電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的微控制器還連接有隔離通信接口電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的可逆H橋功率電路與帕爾貼模塊之間還設置有濾波電路。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的溫度傳感器輸出的信號先經過信號調理電路和A/D采樣電路，再輸入微控制器。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的微控制器集成有ADC。
專利摘要本實用新型是關于一種雙向數(shù)字式紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)，主要包括紅外圖像探測器、微控制器和可逆H橋功率電路，其中紅外圖像探測器包括溫度傳感器、帕爾貼模塊和紅外焦平面陣列；溫度傳感器輸出的信號經微控制器處理后，驅動可逆H橋功率電路控制流經帕爾貼模塊的電流。本實用新型與現(xiàn)有技術相比控制器模型不受環(huán)境溫度變化影響，系統(tǒng)魯棒性好；恒溫溫度可根據(jù)需要實時設置，便于實現(xiàn)分級溫控，以降低系統(tǒng)功耗；通過在系統(tǒng)編程，可實現(xiàn)更為復雜和優(yōu)化的控制算法，參數(shù)整定方便；抗干擾能力強；具有很高的溫度控制精度和工作效率。
文檔編號G05D23/19GK202003246SQ20112004726
公開日2011年10月5日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權日2011年2月24日
發(fā)明者李玉玨, 王軍力, 王新星, 邸超, 陳小明 申請人:中國兵器工業(yè)系統(tǒng)總體部