2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      設(shè)計(jì)以半導(dǎo)體制冷片為溫度控制核心元件的浪涌保護(hù)器溫控系統(tǒng),使得電涌保護(hù)器中的氧化鋅壓敏電阻在工作時(shí)不因溫度過高而增加功率損耗導(dǎo)致其過快老化裂化，同時(shí)能有效減少電涌保護(hù)器外殼及附屬器件發(fā)生爆裂的現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)由制冷模塊、測(cè)溫模塊、溫度控制模塊、通信模塊和電源模塊5部分組成，如圖1所示。

2.1溫度控制模塊選擇應(yīng)用

      制冷模塊選用基于珀?duì)柼?yīng)的半導(dǎo)體制冷片作為核心器件。半導(dǎo)體制冷片體積小,尺寸與氧化鋅壓敏電阻相似,根據(jù)功能需求選擇型號(hào)為TEC1一12715的半導(dǎo)體制冷片。將制冷片制冷面緊貼浪涌保護(hù)器內(nèi)的氧化鋅壓敏電阻,當(dāng)浪涌保護(hù)器處于工作狀態(tài)溫度升高時(shí)，收到溫度控制模塊發(fā)送的指令后制冷片工作對(duì)其進(jìn)行降溫,使壓敏電阻表面溫度及浪涌保護(hù)器內(nèi)部環(huán)境溫度處于正常值。制冷片的散熱面通過散熱片將熱量傳導(dǎo)至浪涌保護(hù)器的外部,從而降低器件內(nèi)部的溫度。半導(dǎo)體制冷片制冷效率高,可在短時(shí)間內(nèi)迅速降溫。當(dāng)雷電流來襲,氧化鋅壓敏電阻工作發(fā)熱時(shí)，半導(dǎo)體制冷片可迅速工作,將溫度控制在合適值。

2.2溫度控制模塊

      溫度控制模塊的微處理器選擇基于AMR Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6高性能微控制器,主頻最高可達(dá)168MHz,擁有1MB的FLASH程序存儲(chǔ)器，192KB的SRAM。同時(shí)帶有4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)控,制器,支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR/NAND等存儲(chǔ)除運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大，STM32F407ZGT6還擁有豐富的外設(shè)資源。其有多達(dá)3個(gè)IC接口、4個(gè)USART接口、4個(gè)UART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)具有復(fù)用的全雙工模式的TS接口、2個(gè)CAN接口以及SDIO接口。多種外設(shè)接口為微處理器與外部設(shè)備的通信提供了高速有效的媒介
      控制終端使用了2個(gè)USART接口,分別用于與WiFi通信模塊通信和調(diào)試接口。微處理器PD端口的1.2.3引腳與DS1203 的RST. SCLK.DATA 3個(gè)接口相連。PF端口的8.9、10引腳分別與報(bào)警用蜂鳴器及LED燈相連。定時(shí)器3通道3作為輸出,驅(qū)動(dòng)制冷模塊,微處理器電路連接圖如圖2所示。
      溫度控制模塊還包含時(shí)間采集單元,其由外部時(shí)鐘組成，時(shí)間采集單元采用高性能、低功耗的DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。DS1302 需要外接一個(gè)32.768 kHz的晶振作為其時(shí)間計(jì)數(shù)時(shí)鐘,還需提供一個(gè)3 V電源為其內(nèi)部計(jì)時(shí)部分供電，保證系統(tǒng)在掉電的狀態(tài)下不會(huì)丟失時(shí)間。時(shí)鐘采集單元電路連接圖如圖3所示。

2.3 測(cè)溫模塊

      測(cè)溫模塊的單片機(jī)采用型號(hào)為MSP430F247的處理器芯片。該芯片擁有豐富外設(shè)資源的同時(shí)處理速度快且功耗低,其內(nèi)置的rC總線方便與外設(shè)間的通信連接團(tuán)
      測(cè)溫模塊中采用了TMP275型溫度傳感器。TMP275測(cè)溫后不經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理,可以直接輸出數(shù)字信號(hào)送至微處理器處理。測(cè)溫精度為+0.5 C,工作電流為50 μA,可通過FC總線與微處理器進(jìn)行信號(hào)傳輸。溫度傳感器電路連接圖如圖4所示。

2.4通信模塊

      通信模塊是整個(gè)溫控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸以及溫控系統(tǒng)與外界連接的通道。選擇WiFi通信模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)控所得的溫度數(shù)據(jù)傳輸至后方終端，可在后方平臺(tái)對(duì)浪涌保護(hù)器內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)通信同樣通過串口將數(shù)據(jù)傳給WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)。WiFi通信模塊選擇了型號(hào)為USR-WIFI232-S的超低功耗WiFi模塊,該芯片支持EEE 802.11b/g,傳輸速度為54 Mbit/s。微處理器對(duì)WiFi模塊進(jìn)行初始化及相關(guān)信息配置后,通過串口.將數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊從而實(shí)現(xiàn)無線通信。WiFi 通信模塊電路連接圖如圖5所示。

2.5電源模塊

      電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能,首先選用變壓器和二極管將220 V交流電通過變壓、整流、穩(wěn)壓轉(zhuǎn)變?yōu)?5V直流電，可為半導(dǎo)體制冷片供電。再通過AMS1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片,將輸入15 V電壓通過AMS1117-3.3降到3.3 V為微處理器、WiFi模塊等工作電壓為3.3 V的器件供電。

3軟件設(shè)計(jì)

      溫度控制程序流程圖如圖6所示。溫度控制模塊上電后,微處理器首先對(duì)時(shí)鐘及其他外設(shè)、模塊進(jìn)行初始化操作。初始化完成后,微處理器通過WiFi通信模塊向測(cè)溫模塊發(fā)送識(shí)別數(shù)據(jù),收到響應(yīng)后進(jìn)行連接,進(jìn)入工作模式。微處理器向測(cè)溫模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù),收到返回的溫度數(shù)據(jù)后將其保存至指定的存儲(chǔ)空間。溫度數(shù)據(jù)在進(jìn)行濾波去噪處理后進(jìn)行判斷,是否.需要驅(qū)動(dòng)制冷模塊工作,同時(shí)將溫度通過WiFi通信模塊實(shí)時(shí)傳輸至外部終端以供讀取。
      溫度測(cè)量程序流程圖如圖7所示。測(cè)溫模塊上電完成初始化操作后進(jìn)入低功耗休眠模式，當(dāng)測(cè)溫模塊測(cè)接收到溫度控制模塊命令后進(jìn)入工作模式，利用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫,并將溫度數(shù)據(jù)通過WiFi傳送給溫度控制模塊。當(dāng)收到溫度控制模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送成功的指令后重新進(jìn)入休眠模式。

4測(cè)試結(jié)果

      根據(jù)以上硬件和軟件設(shè)計(jì)對(duì)基于半導(dǎo)體制冷片的浪涌保護(hù)器溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,以證明整個(gè)系統(tǒng)可安全有效地運(yùn)行。將安裝好半導(dǎo)體制冷片以及測(cè)溫模塊的浪涌保護(hù)器接入8/20 μs短路電流發(fā)生器,進(jìn)行模擬雷電流沖擊試驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置一組不安裝溫度控制系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器作為對(duì)照。圖8( a)為未加半導(dǎo)體制冷片時(shí),不同參考電壓下氧化鋅壓敏電阻功耗隨溫度的變化情況。溫度越高,其功耗也越大,當(dāng)溫度超過一定值后很容易造成壓敏電阻的熱崩潰現(xiàn)象。圖8( b)為加裝半導(dǎo)體制冷片時(shí)不同參考電壓下氧化鋅壓敏電阻片功耗隨溫度的變化情況。在相同的溫度變化情況下，功耗降低明顯,說明半導(dǎo)體制冷片對(duì)氧化鋅壓敏電阻片的散熱效果明顯,能夠?qū)擞勘Ｗo(hù)器起到很好的保護(hù)作用。