組長: 劉瀚元 組員: 黃靖、鄧靖蓉、林亮佑 指導教授: 林得裕 小專題-致冷晶片控溫系統 組長: 劉瀚元 組員: 黃靖、鄧靖蓉、林亮佑 指導教授: 林得裕

Neoflash Operation Structure

Neoflash Operation Measurement waveform

Heating system Driver circuit Thermoelectric Cooling module controller Current signal ㄜ Receive feedback and Compute Transmit signal Thermoelectric Cooling module ㄜ controller Temperature sensor Detect temperature feedback

Intergration bus neoflash Main plate Water cooling pipeline Heat sink

K-TYPE熱電偶 溫度:攝氏-200~攝氏+1200 磁性，廉價，精確度不佳 敏感度41uV/度C 鎳鉻合金或鎳鋁合金 溫度:攝氏-200~攝氏+1200 磁性，廉價，精確度不佳 敏感度41uV/度C 決定熱電偶類型、材料、正負極後，熱電偶的 電壓即為熱電偶溫度的函數，也就是熱電位大 小只和熱電偶兩端溫度相關 任何金屬被只要有溫度差，會產生電壓

Ardiuno UNO CPU ATmega328p 工作電壓5V ，輸入電壓7-12(max6-20)V Dccurrent I/Opin:20mA ，3.3Vpin:50mA Clock speed 16MHz Flash memoy 32KB SRAM 1KB EEPROM 2KB

Power MOSFET IRF730 有較大耐壓耐流的MOSFET 實驗用來當控制加熱片的 電流控制器 腳位如圖由左至右為GDS 實驗用來當控制加熱片的 電流控制器 腳位如圖由左至右為GDS Vt約為4V附近給予5V已經 全開，故ardiuno可直接控 制，利用PWM Vdsmax 400V,Vgsmax 20V

Relay 小電流控制大電流 自動開關(保護電路)或電路方向 普通繼電器: 電磁鐵，機械結構 頻率無法太快，巨大噪音 普通繼電器: 電磁鐵，機械結構 頻率無法太快，巨大噪音 固態繼電器: LED、光電晶體，光電結構 頻率較高ms~us

uA741 十分常見的IC 1、5為offset null 放大，隨偶 給他正負12V工作 在此介紹我們的用途 1000倍率放大電路 電壓緩衝器

最初方案 利用一台ardiuno控制加熱與信號，因程式時序 問題。故立即換成兩台ardiuno控制。 使用一台ardiuno類比腳位接到熱電偶量測加熱 片溫度，數位PWM腳位接到POWERMOSFET輸 出不同PWM信號調整Vgs功率大小控制加熱，除 ardiuno是PC供電其他皆由電源供應器提供，並 把溫度顯示在Ardiuno serial port螢幕上

Ardiuno配合分壓時序圖 發現寬度無法達成正負3%誤差，電壓因為 ardiuno是5V分壓後實際上也達不到誤差內

Ardiuno加熱控制 程式方塊圖如右 利用不停的重複 自我調整來達成 利用不停的重複 自我調整來達成 遇到的問題為硬 體，熱電偶溫度 曲線需要近似， 各級間會有負載 效應，容易電壓 飄掉

Ardiuno程式碼

總結目前困難 K-type熱電偶電壓值微小，須經放大，因經過 放大誤差也會大，溫度曲線近似不容易 各級間的附載效應，如有無接上電表，街上 不同的電表，有無ardiuno皆會讓讀出來的電 壓值有很大的距離，必須要想辦法減少負載 效應，或是統一規格 ardiuno速度過慢，時脈電壓、時脈時間無法 達成誤差3%，如果再接控溫，時脈誤差更大

排除困難-時脈達成誤差內 因ardiuno完全無法達成時脈的需求，所以更改 用FPGA來進行時脈的操作 FPGA(field-programmable gate array) 簡而言之，就是讓你的邏輯 程式化後燒到電路上，用程 式燒進FPGA組合出想要的 邏輯電路，時鐘通常很快 可在同時一次改變多個電壓 不像ardiuno每行會有clockcycle

FPGA程式碼

FPGA產生之時脈

FPGA產生之時脈

排除困難-負載效應 因電表的有無，廠牌，ardiun各腳位有無電線， 連接都會影響到測量出來的熱電壓和他的曲線， 原本是想利用uA741接出電壓緩衝器再讀取電壓 值來解決，但ardiuno因未知原因，電壓值異常 爆掉。 最後決定都不裝電表直接讀取ardiuno測得之值 當參考溫度， 優點是負載效應，缺點是電路任 一結構無法更動，否則溫度電壓必須要從心量 測出來

排除困難-熱電壓對溫度曲線 因經過放大1000倍，且也跟負載效應相關(在上 頁已說明排除方法，故這裡並不把負載效應列 為變因)，加上熱電偶細微溫度並不精確，導致 每次相隔較久遠的量測，會有不同的熱電壓對 溫度曲線 解決方法是，藉由一次又一次的量測，並把這 許多的數據取平均值再做成近似曲線，也就是 用實際數據的數量，來減少誤差

數據圖

溫控波形圖 溫度變化曲線 電壓變化曲線

困難之二 每當一波困難解決完畢，總是會有接二連三的 困難找上你。 雖然FPGA能夠產生在誤差內的寬度脈波，但是 最大供電只有3.3V，如果想接放大電壓，放大 電壓的頻率響應又是一個問題，如果頻率跟不 上，可能又會變成電壓不對，脈波寬度也不足 更不好的情形，這並不是我們所樂見的，所以 這也是個大問題

解決困難之二 當前解決辦法:因直接把FPGA當輸出信號供應， 雖然脈波寬度可以，但電壓高度不夠進需求值， 故改變做法先拉出個電壓源，配上很多個繼電 器，而用FPGA控制這些繼電器開關來達成各個 時脈的寬度 繼電器則要用固態繼電器(Solid State Relay)，因 需求是十分高的頻率，所以固態的繼電器較一 般的繼電器可行

佈線圖

實體電路圖

心得與願景 這門課上起來比想像中的有趣多了，在課程中真的自己動手去做，比起在書上的東西來說，或許需要花更多的時間在這門課上，不過藉由和組員的討論、爭吵? 了解團隊的合作畢竟不是你有時間的時候大家都有時間，還有每個人願意付出的時間不一樣，大家都有不同的想法最後要將他們合在一起也是一般課堂上學不到的。而在實驗過程中都會有你意想不到的問題發生，沒有人知道問題出在哪，這時候大家都在猜，這時候就運用到平常書本上的知識來輔助幫助問題解決的速度。 透過這堂課大家了解到如果你不做你永遠不會知道會有什麼問題發生，所以說要做了才知道不然大家用嘴說說誰不會，另外需要的是自己去解決問題的方法，大多是透過網路，但由於有些東西沒有使用過的原因以及經費上的問題不可能每種東西都買來玩玩，此時就會尋求教授的幫助，但我們盡可能避免，畢竟以後不是都有能提供這幫助的人存在，雖然這次實驗沒有全部的部分都做出來，有點可惜，不過希望未來如果有類似的實驗或是需要幫助的學弟妹我們能藉由這次經驗給予他們幫助，一方面也讓自己也有學習的機會，接觸自己沒使用過的元件或是理論及將所學結合來解決問題。

謝謝大家 <小組分工內容> 劉瀚元:放大器與溫控訊號電路設計 黃靖:Ariduino時脈程式設計，FPGA時脈電路設計