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毕业设计49中国计量学院激光器用TEC的控制系统的实现设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计49中国计量学院激光器用TEC的控制系统的实现设计,电气电子毕业设计论文
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中 国 计 量 学 院 毕业设计（论文） 题目： 激光器用 TEC的控制系统的实现 二级学 院 光学与电子科技学院 专 业 光信息与科学技术 班 级 03 光信 1 学 号 030071203133 姓 名 蒋坤君 指导教 师 冯桂 兰 2006 年 6 月 8 日 nts中国计量学院毕业设计（论文） I 摘 要 半导体制冷 (TEC)又称为热电制冷 ， 是一种基于珀尔帖效应 的技术 。 这种制冷器 ， 没有复杂的结构 ， 体积小 ， 没有噪声 ， 不需要制冷剂 ， 没有污染 ，已 广泛应用到化工、电子、医疗、军事等各个领域。 在 TEC 的应用中， TEC 驱动模块的性能直接影响着温度控制的准确性， 这也是当前针对 TEC 应用中研究的一个重点。 本文阐述了一种由单片机 和 全桥电路构成的 TEC 温度控制器。 整个 系统 采用模块化的设计思想， 分为 主控单元、 TEC驱动模块以及温度反馈三个部分 。 其中主控单元由 MSP430F169 单片机 及其外围电路和点阵液晶模块 构成 ； TEC 驱动模块由光电耦合电路和 H 桥 电路构成；温度反馈由数字温度传感器 DS18B20 构成 。MSP430F169 单片机产生的 PWM 脉冲信号经 TEC 驱动单元驱动 TEC 工作，通过改变 PWM 脉冲信号的占空比可以调节流经 TEC 的电流，从而改变 TEC 的温度。再经过温度反馈将实际温度反馈回主控单元 ， 然后 主控单元 使用 PID 温度 算法 处理 反馈温度 ，调整 PWM 脉冲信号的占空比从而改变 TEC 的驱动电流，并控制流经 TEC 的电流方向， 最终 实现对 温控对象 的 加热 或者 制冷。 关键词： 半导体制冷 ； H 桥 ； PWM 脉冲信号 ； PID； TEC nts中国计量学院毕业设计（论文） II Abstract The semiconductor refrigeration(TEC) is called the thermoelectricity refrigeration, it is a technology which is based on Peltier effect. This kind of refrigerator does not have the complex structure, has a small volume, does not have the noise, does not need the refrigerant, has not polluted and has widely applied the chemical industry, the electron, the medical service, the military and so on each domain. In the TEC application, the performance of the TEC actuation module is directly affecting accuracy of the temperature controlled, this is also a key point in the TEC application studies in current. This article elaborated a kind of the TEC temperature controller which is made up of the MCU and the entire bridge. The entire system uses the thought of modular design, and divides three parts which include the unit of the primary controls, the TEC actuation module and the temperature feedback. The unit of host controls constitutes by the MSP430F169 MCU and its the periphery electric circuit and the lattice liquid crystal module; The actuation module of TEC constitutes by the photoelectricity coupled circuit and the H bridge; The temperature feedback constitutes by digital temperature sensor DS18B20. The PWM pulse signal which is produced by the MSP430F169 MCU processes the TEC actuation unit and actuates the TEC, through occupies the spatial ratio of the PWM pulse signal changes, it is able to adjust the current which flows after the TEC, and changes the temperature of the TEC. And through the temperature feedback, it will feedback the actual temperature to the unit of the host control, and the unit of the host controls uses the PID temperature algorithm to deal with the feedback temperature, adjusts occupies the spatial ratio of the PWM pulse signal, and changes the current of the TECs actuation, and controls the direction of the current which flows after the TEC, Finally, the heat up or the refrigeration of the object of warm controls can be realized. Key words: The semiconductor refrigeration; the H bridge; the PWM pulse signal; PID;TEC nts中国计量学院毕业设计（论文） III 目 录 0 前言 1 1 TEC制冷技术简介 2 1.1 TEC制冷原理 2 1.2 TEC发展与应用 3 1.2.1 TEC的发展 3 1.2.2 TEC的应用 3 2 系统原理及其硬件结构 5 2.1 系统原理 5 2.2 硬件总体结构 5 2.3 主控单元硬件结构 6 2.4 TEC驱动单元硬件结构 8 2.4.1构成全桥器件的选择 10 2.4.2 光电耦合器的选择 11 2.5 温度反馈单元的硬件结构 11 2.5.1 DS18B20说明 12 2.6 显示单元的硬件结构 15 2.6.1特性说明 15 2.6.2外形尺寸 16 2.6.3 HG12864模块主要硬件构成说明 16 2.6.4 HG12864模块的供电说明 18 2.6.5 HG12864模块的外部接口及其显示模块控制器 18 2.6.6 KS0108B的读写操作时序 21 3 温度的控制算法及软件流程图 22 3.1 温度控制算法原理 22 3.2 PID参数整定 23 3.3软件流程图 24 4 调试及结论 24 4.1调试情况 24 nts中国计量学院毕业设计（论文） IV 4.2结果分析 25 4.3结束语 25 参考文献 26 致谢 27 英文文献翻译原文 1 28 英文文献翻译译文 1 39 英文文 献翻译原文 2 52 英文文献翻译译文 2 59 附 件 1 毕业设计任务书 附件 2 开题报告 附件 3 文献综述 附件 4 验收登记表 附件 5 答辩记录表 附件 6 指导教师意见表 附件 7 评阅表 附件 8 评语表 nts中国计量学院毕业设计（论文） 1 0前言 随着技术的发展，半导体激光器在各个领域的应用日益扩展。在军事方面可用作激光引信、深海光通信等，半导体激光器是惟一能够用于弹上引信的激光器；在产业和技术方面半导体激光器是光纤通信系统的惟一实用化光源；在医疗和生命科学研究方面进行的激光手术治疗、生命 科学研究也都与半导体激光器密不可分。但是， 半导体激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重 15，显然 ， 这不是人们所希望的。因此如何精确控制其工作温度相当重要 ，这就需要一种制冷快速，控制灵活，适合用于半导体激光器上的制冷装置 半导体式制冷器 (TEC)。 半导体制冷 (TEC)又称为热电制冷 ， 是 50 年代初发展起来的新制冷技术 7,它是利用半导体材料制成的 PN结 ， 给它通上额定的直流电 ， 它的冷端就会迅速降温。这种制冷器和传统的制冷设备有着根本的区别 ， 没有复杂的结构 ， 体积小 ，没有噪声不需要制冷剂 ， 没有污染 ， 因此近几年引起了人们的关注。随着技术的进步 ， 半导体制冷器被广泛的应用到化工、电子、医疗、军事等各个领域。 TEC 驱动模块是整个系统的关键，它的性能直接影响着温度控制的准确性，这也是当前针对 TEC 应用中研究的一个重点。 当前， TEC的驱 动模块主要有： 1)模拟控制 IC； 2) 微控制器全数字控制方式产生 PWM，再配上全桥电路； 3)使用具有 PWM输出的直流电机驱动芯片 1。 在本论文中采用了微控制器 MSP430F169 产生 PWM 加全桥电路构成 TEC 的驱动模块。但是，直接由 MSP430F169 产生 PWM 脉冲信号的驱动能力还不足以达到驱动全桥的能力， MSP430F169 产生的 PWM 脉冲信号不能直接接入全桥。为了解决这个问题，在本论文中，采用了光电耦合器和由三极管构成的跟随器来实现电气隔离和增强 PWM 脉冲信号的驱动能力。 因为 MSP430F169 单 片机有直接的 PWM输出功能，产生这种脉冲信号很方便，所以本设计采用了这种方法来实现 TEC的驱动。再配合 PID算法，使温度能很好的稳定在所设置的温度下。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 2 1 TEC 制冷技术简介 当直流电通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能这就是所谓的热电制冷。半导体制冷是热电制冷的一种 ， 即直流电通过由半导体材料制成的 PN 结回路时 ， 在 PN 结的接触面上有热电能量转换的特性 ， 又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料 ， 在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成 ， 因此称为半导体制冷。直流电通过半导体 PN 结时 ,在两结的接触面上会发生热电效应 ,它是由 5 种不同的效应组成。其中有珀尔帖效应、焦耳效应、傅立叶效应、塞贝克效应、汤姆逊效应 5 种不同的效应 7。半导体制冷技术主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。 1.1TEC 制冷原理 半导体制冷是一种基于珀尔帖效应 (两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差 )的技术，它可把一个 P型 半导体和一个 N型半导体用铜联结片焊接成电偶对 (目前所采用的半导体材料最主要是碲化铋 )，其示意图见图 1.1.1所示。当接通直流电源时， 电子由负极 (一 )出发 ，首先经过 P型半导体，在此吸收热量，到了 N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模组，就有热量由一边被送到另一边，即在 2、 3端的铜联结片上产生吸热现象，此端称为冷端；在 1、 4端的铜联结片上则产生放热现象，此端称为热端。若将电流方向反过来，则冷热端将互换，这一点对于既需要升温又需要降温的应用场合非常有用 7。 图 1.1.1 半导体温差电偶 7 一个电偶对产生的热电效应 很小，故在实际中都将上百对热电偶对串联在一起，所有的冷端集中在 一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的热电制冷器。当制冷器 中通过一定的直流电时，冷面会降温，冷面就可以用来制冷，热面的温度会逐渐升高，通过散热器可以将热量向周围环境放热。若将电流方向改变，便可实现相反的功能。如果在应用中需要的制冷或加热功率较大，可以使用多级半导体制冷器。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 3 1.2 TEC 发展与应用 1.2.1 TEC 的发展 半导体制冷又称为热电制冷 ， 它是一项新的制冷技术。 从半导体制冷的发展历史来看，大致经历了三个阶段 13。 第一个阶段是指本世纪初，塞克尔和珀尔帖先后发现温差电流现象和温度反常现象，并进行了热电发电和热电制冷的研究 。 但当时由于使用的金属材料的热电性 能较差，能量转换的效率很低，热电效应没有得到实质应用 .第二阶段是 50年代初期，主要是通过半导体材料的广泛应用，发现半导体材料具有良好的热电性能，并使热电效应的效率大大提高，从而使热电发电和热电制冷进入工程实践 。 第三阶段是 80 年代以后，主要是努力提高半导体的热电制冷的性能，进一步开发热电制冷的应用领域 。 1.2.2 TEC 的应用 在电子技术上， 最近 20年来，低温电子学得到迅速的发展，在光电倍增管、红外探测器、光敏器件、功率器件等元器件和设备冷却上，半导体制冷有独特的作用 .采用半导体制冷技术，对电子线路中的元 件进行冷却，能有效改善其参数的稳定性，或使信噪比得到改善，从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度 .热电制冷器也可以用不同方式来冷却电子器件和设备 。 它既可把电子元器件直接装在制冷器的冷端 ， 直接得到冷却，又可以电子设备放在有半导体制冷的小室里，通过小室内的空气的自然对流得到间接冷却 。 在工业上， 从 70年代，我国对半导体制冷技术在工业上应用开始进行探索，并先后基本完成了电子冷冻车削、电子冷冻铣削、电子冷冻磨削、电子冷冻铸造、液膜冰液等研究课题 。 用液膜冰固定工件代替夹具，用电子冷冻新技术代替传统的液氨等制冷介质 ，通过电源变换实现快速装卸工件和恒温控制，使过去一些无法加工的材料，特别是航天材料 (橡胶件、热塑性件、脆性材料、极薄件等 )找到一种新的加工方法 。 最突出的是内冷式冷冻磨削的研究和应用，解决了磨削加工中表面烧伤、应力消除等问题，它无尘、无味，改善了环境卫生，提高零件质量，已在机械加工领域占有重要的一席之地 。 在医疗仪器上， 热电制冷在生物学和医学仪器上的应用较早 。 利用它无噪音、无振动、体积小和使用方便等优点，开发了一系列新产品，广泛应用到医疗仪器和临床医疗中 .如 PRC仪和呼吸机气泵 :PCR技术 (聚合酶链反应 )是靠 酶促反应合成特异 DNA片断的方法 。 它由高温变性、低温退火、适温延伸三个温度阶梯反复构成的热循环组成，因此， PCR仪实际上是程序温控仪，又称基因扩增仪 。 扩增效果与温度阶梯间的转换时间密切相关，时间越短，扩增异性越高，效果越好 。采用普通制冷（加热）方法，如压缩机、水冷、风冷、红外线加热、电热丝加热等，要获得较好的扩增效果非常困难，而利用了半导体制冷技术的 PCR 仪不仅能取得很好的扩增效果，还具有体积小、无噪音、温度调节范围大等优点 ； 气泵是nts中国计量学院毕业设计（论文） 4 所有呼吸机中的重要部件，特别是在没有采用中心供气方式提供空气正压的医院，它更 是必不可少的部件 。 它向呼吸机提供干燥、洁净的气体 。 一般将气体冷却降温后，再通过水分离器将冷凝水分离出来，达到干燥气体的目的 。 由于采用半导体制冷技术的气泵与采用传统风冷式制冷的普通气泵相比具有体积小、结构简单、无噪音、冷凝快速及冷凝效率高等优点，现已广泛应用在高档呼吸机气泵中 。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 5 2 系统原理及其硬件结构 2.1 系统原理 激光器用 TEC的控制系统是稳定激光器工作温度的，降低温度变化对激光器输出功率的影响的一个系统。系统主要由主控单元、 TEC驱动模块以及温度反馈系统构成。 其中主控单元由 MSP430F169单片机构成，其结构框图如图 2.1.1 所示： 图 2.1.1 激光器用 TEC控制系统框图 如图 2.1.1 所示，由 MSP430F169 单片机产生的 PWM 脉冲信号经 TEC 驱动单元驱动 TEC工作，通过改变 PWM脉冲信号的占空比可以调节流经 TEC 的电流，从而改变 TEC的温度。再经过温度反馈将实际温度反馈回主控单元 ， 再经过主控单元的处理，控制 TEC 驱动部分，调整 PWM脉冲信号的占空比从而调节 TEC的驱动电流，并控制流经 TEC的电流方向，实现对 温控对象 的 加热 或者 制冷。 整个过程构成了一个闭环反馈系统，通过处理反馈温度，可实现激光器工作温度的稳定。 2.2 硬件总体结构 激光器用 TEC 的温控系统以 MSP430F169 单片机为处理器，由 IRF3205 和IRF4905构成的全桥作为 TEC的驱动电路，由数字温度传感器 DS18B20 构成温度反馈，实现 TEC 的温度稳定控制。其中， MSP430F169 单片机产生的 PWM 信号通过光电耦合器的隔离传送，再通过由三极管构成的跟随电路去驱动全桥。整个硬件结构框图如图 2.2.2所示。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 6 图 2.2.2 激光器用 TEC的温控系统硬件结构框图 2.3 主控单元硬件结构 主控单元 由 MSP430F169 单片机构成，电路如图 2.3.1 所示。 图 2.3.1 主控单元电路原理图 本系统的主控制芯片选用了 TI 公司的 MSP430F169 单片机。其电源电压采用 1.83.6V 低电压， RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数 )， I/O 输入端口的漏电流最大仅 50nA.而nts中国计量学院毕业设计（论文） 7 且，该单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环 (FLL 和 FLL+)时钟系统或 DCO 数字振 荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU 和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一种活动模式 (AM)和 5种低功耗模式 (LPM0LPM4)。 MSP430F169 单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可任意嵌套。用中断请求将 CPU 唤醒只要 6us,通过合理编程，既以降低系统功耗，又可以对外部事件请求作出快速响应 3。 另外 MSP430F169 单片机还具有内部温度传感器；基 本时钟模块配置； 12位 200Ksps 的 A/D 转换器，自带采样保持；具有 3 个捕获 /比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A,Timer_B；两通道串行通信接口可用于异步或同步 (UART/SPI)模式； 6 个 8 位并行接口，且 2 个 8 位端口有中断能力；硬件乘法器；多大 60KB FLASH ROM 和 2KB RAM；串行在系统编程；保密熔丝的程序代码保护等特点。 MSP430F169 单片机的结构如图 2.3.2 所示，图 2.3.3 是其引脚图。 图 2.3.2 MSP430F169单片机内部结构图 nts中国计量学院毕业设计（论文） 8 图 2.3.3 MSP430F169 单片机引脚图 2.4 TEC 驱动 单元硬件结构 TEC驱动单元硬件结构 如图 2.4.1 所示。它主要由 IRF3205和 IRF4905 组成的全桥构成 1。 由于 TEC 工作时所需电流较大， MSP430F169 单片机输出的 PWM脉冲信号不 能直接接入全桥，需用光电耦合器进行电气隔离以防止对MSP430F169 单片机的干扰。为了增加信号的驱动能力， PWM 脉冲信号通过由三级管构成的推挽电路后去控制全桥。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 9 nts中国计量学院毕业设计（论文） 10 图 2.4.1 TEC驱动单元电路图 2.4.1 构成全桥器件的选择 如图 2.4.1 所示，在本系统中， 采用 了 IRFl4905 作为上管 ， IRF3205 作为下管构成全桥电路 1。 IRF3205 为 N 沟道 场效应管，它具有极低的开启电阻 () 8DS onRm)，动态的 /dv dt 等级 ，最高能 达到 1750C 的工作温度 ，高的开关速度和大的雪崩率。 表2.4.1.1是 IRF3205 的特性参数 。 表 2.4.1.1： IRF3205 特性参数表 从表 2.4.1.1 可知 IRF3205 的漏极电流在连续输入方式下能达到最大 110A，在脉冲输入方式下能达到最大 390A，完全满足本系统所需的驱动 TEC 时的电流要求。 IRF4905 为 P 沟道场效应管，它于 IRF3205 一样，具有 极低的开启电阻() 0 .0 2D S onR )，动态 的 /dv dt 等级 ，最高能 达到 1750C 的工作温度 ，高的开关速度和大的雪崩率。表 2.4.1.2是 IRF4905的特性参数。 表 2.4.1.2： IRF4905 特性参数表 nts中国计量学院毕业设计（论文） 11 从表 2.4.1.2 可知 IRF4905 的漏极电流在连续输入方式下能达到最大 74A，在脉冲输入方式下能达到最大 260A，完全满足本系统所需的驱动 TEC 时的电流要求。 2.4.2 光电耦合器的选择 光电耦合器选用了 TLP521-4， 它 的结构 如图 2.4.2.1所示， 相当于把发光二极管和光敏 (三极 )管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用 。由于受到光敏三极管节电容的影响， PWM脉冲信号的输入频率 不能太高，经实验测试，输入光耦的 PWM脉冲信号频率应小于 35KHz，这样光耦对应输出信号的失真很小。 图 2.4.2.1 TLP521-4引脚图 2.5 温度反馈单元的 硬件结构 如图 2.5.1所示，采用由数字温度传感器 DS18B20构成温度反馈单元。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 12 图 2.5.1 DS18B20电路图 2.5.1 DS18B20 说明 DS18B20 是 单总线数字温度计，提供 9 位温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入 DS1820 或从 DS1820 送出，因此从中央处理器到 DS1820 仅需要连接一条线（和地）。读、写和 完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每个 DS1820 有唯一的系列号，因此多个 DS1820可以存在于统一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏的器件。此特性的应用范围包括 HVAC 环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。 DS18B20的特性如下 14:具有独特的单线接口，只需 1个接口引脚即可通信；多点能力使分布式温度检测应用得以简化；不需外部元件；可用数据线供电；不需备份电源；测量范围从 550C 至 1250C ，增量值位 0.50C 。等效的华氏温度 范围氏 670F 至 2570F ，增量值为 0.90F ；以 9位数字值方式读出温度；在1 秒（典型值）内把温度变换为数字；用户可以定义的，非易失性的温度 告警设置；告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器 件（温度告警情况）；应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。 DS18B20的引脚排列如下： 详细引脚说明如下： nts中国计量学院毕业设计（论文） 13 如图 2.5.1.1 所示，它表示了 DS1820 的主要部件。 DS1820 有三个主要的数据部件： 1)64 位激光 ROM； 2)温度灵敏元件； 和 3)非易失性温度告警触发器 TH和 TL。器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止。作为另一种可供 选择的方法，DS1820也可用外部 5V电源供电。 与 DS1820的通信经过一个单线接口。在单线接口的情况下，在 ROM操作未 图 2.5.1.1 DS18B20 内部结构框图 建立之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供五种 ROM 操作命令之一： 1)Read ROM(读 ROM)， 2)Match ROM（符合 ROM）， 3)Search ROM(搜索 ROM)，4)Skip ROM（跳过 ROM），或 5)Alarm Search（告警搜索）。这些命令对 每 一器件的 64 位激光 ROM 部分进行操作。如 果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了ROM操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。 一个控制操作命令指示 DS1820 完成温度测量。该测量的结果将放入 DS1820的高速暂存（便笺式）存贮器，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。每一温度告警触发器 TH 和 TL 构成一个字节的 EEPROM。如果不对 DS1820 施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器。使用存储器操作命令可以写 TH 和 TL。对这些寄存器的读访问通过便笺存储器。所有数据均以最低有效为在前的方式被读出。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 14 图 2.5.1.1中示出寄生电源电路。当 I/O 或 VDD引脚为高电平时，这个电路便“取”得电源。只要符合指定得定时和电压要求， I/O将提供足够得功率。寄生电源得优点时双重得： 1)利用此引脚，远程温度检测无需本地电源， 2)缺少正常电源条件下也可以读 ROM。 为了使 DS1820 能完成准确得温度变换，当温度变换发生时， I/O 线必须提供足够得功率。因为 DS1820 得工作电流高达 1mA， 5K 的上拉电阻将使 I/O 线没有足够的驱动能 力。如果几个 DS1820 在统一条 I/O 线上而且企图同时变换，那么这一问 题 将变得特别尖锐。 有两种方法确保 DS1820 在其有效变换期内得到足够的电源电流。第一种方法是发生温度变换时，在 I/O线上提供一强的上拉。如图 2.5.1.2所示，通过使用一 个 MOSFET把 I/O 线直接拉到电源可达到这一点。 图 2.5.1.2 DS18B20与单片机 第一种 接线 方式图 当使用寄生电源方式时 VDD引脚必须连接到地。 向 DS1820 供电的另外一种方法是通过使用连接到 VDD 引脚的外部电源，如图 2.5.1.3所示。这种方法的优 点是在 I/O 线上不要求强的上拉。总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其他数据在单 nts中国计量学院毕业设计（论文） 15 图 2.5.1.3 DS18B20与单片机第二种接线方式图 线上传送。此外，在单线总线上可以放置任何数目的 DS1820，而且如果他们都使用外部电源，那么通过发出跳过 ROM命令和接着发出变换 T命令，可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处于工作状态， GND引脚不可悬空。本系统中正是采用了这种接入方式进行温度测量。 2.6 显示单元的 硬件结构 2.6.1 特性说明 显示单元采用 HG12864点 阵液晶显示器， HG128647是一种图形点阵液晶显示器 ,它主要由行驱动器 /列驱动器及 128 64 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示 8 4 个 (16 16 点阵 )汉字。 该类液晶显示模块均是使用KS0108B及其兼容控制驱动器 作为列驱动器，同时使用 KS0107B及其兼容驱动器作为行驱动器的液晶模块。由于 KS0107B不与 MPU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单。 主要技术参数和性能 4： 1)电源： VDD： +3.3V； 模块内自带 -10V 负压，用于 LCD的驱动 电压； 2)显示内容： 128(列 ) 64(行 )点 ； 3)全屏幕点阵 ； 4)七种指令 ； 5)与 CPU接口采用 8位数据总线并行输入输出和 8条控制线 ； 6)占空比 1/64。 nts中国计量学院毕业设计（论文） 16 2.6.2 外形尺寸 图 2.6.2.1 HG12864外形尺寸图 外形尺寸详细参数 4： 2.6.3 HG12864 模块主要硬件构成说明 12864共有两片 KS0108B或 兼容控制驱动器 和一片 KS0107或 兼容驱动器 。如 图 2.6.3.1所示， IC3为行驱动器。 IC1， IC2 为列驱动器。 在 12864 中，两片 KS0108B或 兼容控制驱动器 的 ADC均接高电平， RST也接高电平，这样在使用 12864 时就不必再考虑这两个引脚的作用。 /CSA 跟 KS0108B(IC1)的 CS1 相连； /CSB跟 KS0108B(IC2)的 CS1相连，因此 /CSA、 /CSB选通组合信号为 /CSA，/CSB 01选通 (IC1)， /CSA， /CSB 10选通 (IC2)。 IC1， IC2， IC3 含有以下主要功能器件。了解如下器件有利于对 LCD 模块之编程。 图 2.6.3.1 液晶模块内部结构框图 nts中国计量学院毕业设计（论文） 17 指令寄存器 (IR)： IR是用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当 D/I=0时，在 E信号下降沿的作用下，指令码写入 IR。 数据寄存器 (DR)： DR是用于寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应。当D/I=1时，在下降沿作用下，图形显示数据写入 DR，或在 E信号高电平作用下由DR读到 DB7 DB0数据总线。 DR和 DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。 忙标志 BF： BF 标志提供内部工作情况。 BF=1 表示模块在内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。 BF=0 时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。 利用 STATUS READ 指令，可以将 BF读到 DB7总线，从检验模块之工作状态。 显示控制触发器 DFF：此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。 DFF=1为开显示（ DISPLAY OFF）， DDRAM的内容就显示在屏幕上， DFF=0为关显示（ DISPLAY OFF）。 DDF的状态是指令 DISPLAY ON/OFF和 RST 信号控制的。 XY地址计数器： XY地址计数器是一个 9位计数器。高 3位是 X 地址计数器，低 6位为 Y地址计数器， XY地址计数器实际上是 作为 DDRAM的地址指针， X地址计数器为 DDRAM的页指针， Y地址计数器为 DDRAM的 Y地址指针。 X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。 Y 地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后， Y 地址自动加 1， Y 地址指针从 0到 63。 显示数据 RAM（ DDRAM）： DDRAM 是存储图形显示数据的。数据为 1 表示显示选择，数据为 0表示显示非选择。 DDRAM与地址和显示位置的关系见 DDRAM地址表（见图 2.6.3.2）。 图 2.6.3.2 液晶模块 DDRAM地址表 Z 地址计数器： Z 地址计数器是一个 6 位计数器，此计数器具备循环记数功nts中国计量学院毕业设计（论文） 18 能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加 1，指向下一行扫描数据， RST复位后 Z地址计数器为 0。 Z地址计数器可以用指令 DISPLAY START LINE 预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即 DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的 DDRAM共 64行，屏幕可以循环滚动显示 64行。 2.6.4 HG12864 模块的供电说明 模块应用一般有三种电源：逻辑电源，液晶驱动电源，背光电源。 KS0108控制器的液晶模块一般是单电源供 电， 负压由 Vee（ Vout） 输出，通过 10K电位器输入至 V0来调节对比度，具体接法如下： Vee 10K V0 GND 常用负电源产生办法： 1) 清达光电提供的 DC-DC 变换器，是通用 LCD 驱动可调电源，可产生 -1.5V -30V电压（连续可调）； 2) 采用 DC-DC 模块，市场上常见的 5D*系列型号可选择使用； 3) 采用 DC-DC 集成电路制作负电源，如 MAX749、 MAX680、 MC34063 等； 4) 采用 79系列三端集成稳压器，可产生 -18v(7918)等电源。 在本系统中 ，采用了负电源产生办法 1),这种方法相对简单、方便。 2.6.5 HG12864 模块的外部接口及其显示模块控制器 外部接口信号如下表所示 4： 该液晶显示模块采用的驱动控制器是 KS0108B， KS0108B 是一种带有列驱动nts中国计量学院毕业设计（论文） 19 输出的图形液晶显示控制器，与 KS0107B配合对液晶屏进行行、列驱动，可直接与 8位微处理器相联。 KS0108B内藏 64 64 4096 位显示 RAM， RAM中每位数据对应 LCD屏上一个点的亮、暗状态； KS0108B 及其兼容控制驱动器 是列驱动器，具有 64 路列驱动输出； KS0108B 及其兼容控制驱动器 读、写操作时序与 68 系列微处理器相符，因此它可直接与 68 系列微处理器接口相联； KS0108B 及其兼容控制驱动器 的占空比为 1/32-1/64。 图 2.6.5.1是其 管脚图 。 图 2.6.5.1 KS0108B引脚图 KS0108B的引脚功能如下表所示： 与微处理器的接口信号 引脚符号 状态 引脚名称 功 能 CS1B, CS2B, CS3 输入 芯片片选端 CS1B和 CS2B低电平选通， CS3高电平选通 E 输入 读写使能信号 在 E 下降沿，数据被锁存 (写 )入KS0108B 及其兼容控制驱动器 ；在 E高电平期间，数据被读出 R/W 输入 读写选择信号 R/W 1为读选通， R/W 0为写选通 RS 输入 数据、指令选择信号 RS 1为数据操作， RS 0为写指令或读状态 DB0 DB7 三态 数据总线 RSTB 输入 复位信号 复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为 0。 RST可跟 MPU相连，nts中国计量学院毕业设计（论文） 20 由 MPU控制；也可直接接 Vcc，使之不起作用。 说明： 对应模块接口为 D/I 与 KS0107B接口信号 引脚符号 状态 引脚名称 功 能 M 输入 交流驱动波形信号 FRM 输入 帧同步信号 CL 输入 锁存行显示数据的同步信号 该信号上升沿时锁存数据，同时改变显示输出地址 CLK1, CLK2 输入 内部操作时钟信号 与 LCD接口信号和其它 引脚符号 状态 引脚名称 功 能 S1 S64 液晶显示驱动端 Vcc,GND 内部逻辑电源 VEE1,VEE2 液晶显示驱动电路的电源 常令 VEE1 VEE2 V0L,V0R V2L,V2R V3L,V3R V5L,V5R 液晶显示驱动电压 其电压值均在 Vcc 和 VEE 之间 ADC 决定 Y1 Y64 与液晶屏的联接顺序 ADC=1 时， Y1 0， Y64 63 ADC=0 时， Y1 63， Y64 0 该引脚直接接 Vcc 或 GND 即可 nts中国计量学院毕业设计（论文） 21 2.6.6 KS0108B 的读写操作时序 写操作时序 如图 2.6.6.1所示 4。 图 2.6.6.1 写操作时序图 读 操作时序 如图 2.6.6.2所示 4。 图 2.6.6.2读操作时序图 读写时序参数表 如下 4： 表 2.6.6.1 读写时序参数表 nts中国计量学院毕业设计（论文） 22 3 温度的控制算法及软件流程图 3 1 温度控制算法原理 温度控制算法采用了工业自动控制中常用的 PID算法 。 PID是比例 ,积分 ,微分的缩写 。它是 按偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器 (简称 PID调节器 )，是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种调节器。它的结构简单，改变灵活 (PI、PD)，且参数整定方便。 人们在长期的工程实践中积累了丰富的经验。迄今为止，大多数工业生产对象的动态特性还未被完全掌握，得不到较精确的数学模型，难以满足控制理论分析的要求，因此在决定 系统参数时，往往还不得不依靠经验或现场调试。故人们采用 PID调节器，根据经验在线整定，在大多数工业生产 过程控制中获得了较满意的效果。它不仅为工程技术人员所熟练掌握，生产操作人员也容易掌握它、熟悉它。在技术上是难于被舍弃的。随着计算机技术的发展， PID控制算法能用微机实现，由于软件具有较大的灵活性， PID控制算法可以得到修正而更加完善。 因此，激光器用 TEC温控系统采用了 PID算法来进行温度的控制。 通常，连续系统 PID控制算法表示为 2： 01 0()( ) ( ) ( )tDT d e tu t K e t e t d t T uT d t (3.1.1) 式中， ()ut 调节器的输出； ()et 调节器的控制偏差； K 调节器的放大系数；1T 积分时间；DT 微分时间；0u 调节器输出的初值。 由于 MSP430F169单片机 是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，固此式 (3.1.1)中积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算方法来逼近。在采样时刻式 (3.1.1)所表示的 PID调节规律可通过数值公式 (离散化的差分方程 ) 100 ()k Di i j i ijiTTu k e e e e uTT (3.1.2) 近似计算。式中， T 采样周期 (即计算步长 )； i 采样次数。式 (3.1.1)表示的控制算法提供了执行机构的位置，所以称为位置式 PID控制算法。由式(3.1.2)很容易导出增量式 PID控制算法： 1 1 1 2 ( 2 ) Di i i i i i i i iiTTu u u k e e e e e eTT (3.1.3) 从上述的算法中可看到，位置式算法中有过去偏差的累加值ie，容易产生较大的积累误差，而且计算机的任何故障都会使iu大幅度的变化。而增量式只须nts中国计量学院毕业设计（论文） 23 计算增量，仅 保持现时及其以前的两个时刻的偏差值，对控制量的计算影响较小。因此，在本设计中采用了增量式的 PID算法。经实验验证，它能很好的使 TEC的温度稳定在所设定的温度下 2。 3 2 PID 参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和 修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 在 TEC温控系统中采用了工程整定方法，具体步骤如下： 首先，确定比例增益 P，确定比例增益 P时，首先去掉 PID
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