- 半导体温差模块在热缺陷监测中的应用与实现[图]

这里采用一款超低输入电压同步DC/DC转换器TPS61201。该IC的主要特点：效率高；根据输入电压的大小能自动转换成升压模式或降压模式；静态电流小；输入电压在0.5 V时，在满负载时也能启动工作；输入工作电压范围宽，从0.3 V～5.5 V；输入低电压锁存的电压可设定；有输出短路保护；有输出电压可设定及固定输出的品种供用户选择；有可能强制按固定效率工作；在关闭电源时，负载与输入端断开；有过热保护；工作温度范围-40 ℃～+120 ℃（空气自然散热时推荐-40 ℃～+85 ℃）；小尺寸3 mm×3 mm QFN封装。应用电路如图5所示。

4 测温报警电路

本设计采用AVR低功耗单片机和一线制数字温度传感器结合红外LED发射管组成测温报警电路。控制器选用了ATmega8L型单片机；温度测量采用DS18B20型温度传感器；报警发光二级管采用GP1303CA红外线LED。电路构成如图6所示。

ATmega8L型单片机[6]，特性工作电压2.7 V～5.5 V，4 MHz空闲模式功耗1 mA（3 V，25 ℃），内部集成上电复位电路（Power-On-Reset）和掉电检测电路（Brown-out-detection），并具有5种休眠模式。

DS18B20型温度传感器[7]，特性工作电压3.0 V～5.5 V，测温范围-55 ℃～+125 ℃，分辩率：9～12位可调，最小温度分辨率0.062 5 ℃，测量精度在-10 ℃～+85 ℃范围内±0.5 ℃，输出接口为数字信号、1-Wire 总线。

选用防水电机SRE-300-14270，电机工作电压0.5 V～4 V（额定电压1.9 V），空载电流32 mA，最大输出功率0.42 W。当设备发热部件温升达到330 K时，CPU通过端口PB0（高电平有效）接通开关管Q，由半导体温差发电模块直接给排风扇供电对半导体温差发电模块的冷端进行风冷降温，以确保冷、热端间能获得尽量大的温度差。此时发电模块的输出电压约1.8 V，输出电流可达100 mA，负载的总耗电流约80 mA，随着温度的升高，温差模块的输出功率会逐渐增大，排风扇的降温效果也逐渐增强，测试表明在排风扇工作的情况下，温差模块冷端的温度被强制在340 K左右。

GP1303CA红外线LED为GaAs材料，中心波长940 nm，符合具有夜视能力的普通监控CCD摄像机的敏感光谱范围；辐射强度10 mW/sr，功率150 mW（If=20 mA），摄像机在150 m的距离可清晰摄取该红外图像。CPU根据发热温度是否超限以及发热温度与环境温度的温差值的不同以不同频率驱动红外LED闪烁报警，报警红外光信号由现场监控摄像机接收并处理。LED闪烁频率与温度差的对应关系见表2。

5 终端工作原理

当被监测的设备部件有发热且高于环境温度12 K以上时，半导体温差发电模块输出0.5 V左右的电压，升压式DC/DC转换器TPS61201启动，对测温电路提供稳定的3.3 V供电。单片机ATmega8L由断电等待状态转入通电工作状态，终端控制程序被启动。正式使用时，终端首先完成其内部系统的初始化；各端口使能与初始化，确认温度传感器连接完好；向DS18B20中TH/TL位写入最高/最低温度门限，读取该温度传感器的身份标志码。启动后，终端由ATmega8L单片机控制，定期向温度传感器DS18B20发送温度转换指令，DS18B20在完成温度转换后会自动将温度值和TH/TL寄存器中的触发门限相比较。如比较结果表明测量温度高于TH或低于TL中的门限值，则设置报警标志位。随后，CPU在读取温度值的同时也读取报警标志位，CPU根据温度是否超限以及温度值的不同以不同频率驱动红外LED闪烁报警，报警红外光信号由现场监控摄像机接收并处理。测温工作流程图如图7。

当升压式DC/DC转换器提供的电压低于ATmega8L最低工作电压测试工作过程中VCC的变化。此触发电平通过VBODLEVEL设定为2.7 V或4.0 V。工作过程中发生掉电检测复位时将对其自身复位并处于掉电等待状态，BOD的触发电平具有迟滞功能以消除电源尖峰的影响。当升压式DC/DC转换器TPS61201的输入电压低于0.3 V时，输出被关闭（VOUT=0）并锁存，只有当VIN>0.4 V时电源才恢复工作。此时，单片机ATmega8L重新由断电等待状态转入通电工作状态。

本文设计的温度检测终端，其外围设备简单，由现场发热源提供电能，功耗低，传输无线化。可以用在需要对发热缺陷进行实时检测而现场不能提供电源、或采用电池供电连续工作时间短且更换不便等场合。