基于TEC的高精度温度控制模块开发

I 基于基于 TEC 的高精度温度模块开发的高精度温度模块开发 摘摘 要要 目前 随着电子行业向着更加精密的方向发展 温度控制对电子元件和各种系 统的稳定运行和精确工作具有越来越重要的意义 在激光器和光纤光栅等光学器件 的使用中 都需要保持高精度的稳定温度 一个高精度的温度控制模块必不可少 本文中设计了一种以 TEC 为核心的温度控制模块 该模块以 C8051F020 单片 机为控制核心 以模拟型温度传感元件作为高精度温度探测器 以 L298N 电机驱动 芯片构成 TEC 驱动 单片机接受温度传感器的反馈信号 通过 PID 算法进行运算 来调节发送脉冲的脉宽 以 PWM 方式调节 TEC 的功率 通过改变电流方向调节致 冷和加热 使被控物体保持精度优于 0 1 的稳定温度 关键词关键词 C8051 单片机 TEC PID 控制 温度控制 II A design of TEC based precision temperature module Abstract Nowadays temperature controling has played an more and more important role to keep electronic system working stable and accurately since the system is becoming more sophysticated and concentrated For example we have to apply the temparature control module to moderate the temperature variation in laser device and fibre grating otherwise their performance may deteriorate due to the temperature change In this thesis a temprature control module based on the principle of Thermoelectric Cooler TEC is designed and realized The module is composed of Single Chip Microcomputer SCM C8051F020 simulative temperature sensor and a motor driver chip L298N The SCM functions as Cybernetics Core which is responsible of regulate the power of TEC through Pulse Width Modulation PWM When receiving the feedback signal from temperature sensor it will immediately send out a pulse with certain width by PID algorithm and transmit it to TEC Then the direction of the current in TEC will be changed according to the neccesary of cooling or to heating as a result the temperature variation could be restricted within 0 1 Key words SCM C8051 TEC PID control Temprature control III 目 录 摘 要 I Abstract II 1 选题背景 1 1 1 课题来源 1 1 2 相关知识 1 1 3 温度控制器的研究现状 5 1 4 开发本模块的意义 6 1 5 本章小结 6 2 方案论证 8 2 1 总体方案 8 2 2 控制核心方案 9 2 3 显示模块方案 10 2 4 TEC 方案 10 2 5 信号转换与驱动电路模块方案 11 2 6 温度采集模块方案 12 2 7 本章小结 13 3 系统的硬件设计 14 3 1 温度采集模块 14 3 2 显示模块 16 3 3 信号转换及驱动电路模块 18 3 4 本章小结 20 IV 4 系统的软件设计 21 4 1 控制算法和驱动方法 21 4 2 程序流程图 25 4 3 单片机设置与编写程序 27 4 4 本章小结 28 5 设计成果与测试结果 29 5 1 各个阶段的成果 29 5 2 系统测试结果 31 5 3 本章小结 32 6 总结与展望 33 6 1 全文总结 33 6 2 工作展望 33 致 谢 34 附 录 35 参考文献 44 1 1 选题背景选题背景 1 1 课题来源课题来源 该课题来源于国家自然科学基金课题 重大工程灾害预警光纤地震波监测关键 技术基础研究 光纤传感器需要用到的半导体激光器及光纤光栅等都对温度控制有 非常高的要求 需要一个高精度温度控制模块 基于 TEC 的高精度温度控制模块 开发将应用于一些电子元件和电子系统的高精度温度控制中 1 2 相关知识相关知识 1 2 1 帕尔贴效应与半导体致冷器帕尔贴效应与半导体致冷器 帕尔贴帕尔贴 Peltire 效应效应 电流流过两种不同导体的界面时 将从外界吸收热量 或向外界放出热量 这就是帕尔帖效应 由帕尔贴效应产生的热流量称作帕尔贴热 帕尔贴现象最早是在 1821 年由德国科学家 Thomas Seeback 首先发现 1834 年 法国表匠兼物理学家 Jean Peltier 发现帕尔贴效应背后真正的原因 这个现象直 到近代随著半导体的发展才有了实际的应用 导致了致冷器的发明 当时的致冷器 还不同于半导体致冷器半导体致冷器 TEC 对帕尔贴效应的物理解释物理解释是 电荷载体在导体中运动形成电流 由于电荷载体 在不同的材料中处于不同的能级 当它从高能级向低能级运动时 便释放出多余的 能量 相反 从低能级向高能级运动时 从外界吸收能量 能量在两材料的交界面 处以热的形式吸收或放出 1 现在的半导体致冷器是利用两块重掺不同类型杂质的半导体半导体致冷器是利用两块重掺不同类型杂质的半导体 通常是铋碲化合物通常是铋碲化合物 使使 之在电学上串联 热学上并联所构成的热电偶 其冷端从热负载处吸收热并将热转之在电学上串联 热学上并联所构成的热电偶 其冷端从热负载处吸收热并将热转 移到热端移到热端 实际使用的半导体致冷器是将很多这样的热电偶相实际使用的半导体致冷器是将很多这样的热电偶相串联串联构成热电堆构成热电堆 或模或模 块块 从热负载抽运热量的速度取决于模块所含热电偶的数量 通过电流的大小 模 块的平均温度以及其两端的温差 从热端所散出的总功率可表示为 H Q 1 1 E QRIQVIQQ CTECCTECCH 1 1 2 2 式中 为从致冷器冷端抽运的热功率 和分别为加于致冷器上的电流 C Q TEC IV 和所有串联的 TEC 压降 即致冷器模块两端压降 R 为总电阻 E 为致冷器的性 能系数 1 2 VI Q E TEC C 输入的电功率 抽运的热功效率 对致冷器的选择需考虑热负载的热容量 等于物体质量与比热之积 大的热容 量有利于热稳定性 但这也给迅速变化的温度控制带来困难 对通常光纤通信用 1300nm 带尾纤的半导体激光器所采取的内致冷方式 即致冷器置于管内的底部 可 以用 1W 的致冷功率在 2 3s 内将芯片温度从室温降至 0 然而若将整个管壳的温 度也降至 0 则需用 50W 的致冷功率经 40s 才能完成 半导体激光器本身是一个很 重的热负载 例如 一个在室温续输出 3mW 的半导体激光器 有可能产生 90mW 的热功率 输出 100mW 的激光器将产生 700mW 的热功率 为了及时地将致冷器 所抽运的热功率散发出去 对大功率半导体激光器还需配有与致冷器有良好热接触 的散热器 一般采用槽形铝 例如一个 4cm 4cm 2cm 的铝散热器能在 10mm 内散 发 10W 的热功率 而其本身只产生 5 的温升 对数十瓦的大功率半导体激光器 尚需对散热器采取强制风冷或流体冷却 然而 对光纤通信等所用的小功率 10mW 半导体激光器 即使按军用标准在宽温 55 55 环境下仍应能稳定工 作 希望使用无致冷激光器 这就要求激光器的闭值电流很小 10mA 1 2 2 PID 控制控制 在生产过程中 自动调节系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的 其目 的主要有两点 一是在人类生产和生活中 应用自动调节技术可以解脱繁重的 单 调的 低效的人力劳动 以便提高生产效率和提高生活水平 二是对现代生产过程 中很复杂的或极精密的工作 当用人力不能胜任时 应用自动调节技术就可以保证 高质量地完成任务 在模拟控制系统中 控制器最常用的控制规律是控制器最常用的控制规律是 PID 控制控制 模拟 PID 控制系 统原理框图如图 1 1 所示 即具备比例具备比例 P 积分 积分 I 微分 微分 D 三种调节规律的调节三种调节规律的调节 器器 简称为 PID 调节器 其调节规律的数学表达式是 3 1 3 dt tde Tdtte T teKPPPP D I PDIP 1 PID 调节器在调节开始时 微分先起作用 使输出信号发生突然的大幅度变化 调节器在调节开始时 微分先起作用 使输出信号发生突然的大幅度变化 同时 比例也起作用进行调节 使偏差幅度减小 接着积分起作用 慢慢地把静差同时 比例也起作用进行调节 使偏差幅度减小 接着积分起作用 慢慢地把静差 消除消除 2 图 1 1 PID 控制系统原理图 PID 控制器是一种线性控制器线性控制器 它根据给定值 rin t 与实际输出值 yout t 构成控 制偏差 3 1 4 tyouttrinte 写成传递函数的形式为 1 5 sT sT K sE sU sG D I P 1 1 式中 KP 比例系数 TI 积分时间常数 TD 微分时间常数 简单说来 PID 控制器各校正环节的作用如下 1 比例环节比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号 偏差一旦产生 控制器立即产生控制作用 以减小偏差 比例作用可用式 1 6 表示 1 6 eeKP P 1 当 100 时 调节器的增益是 1 当 200 时 调节器的增益是 0 5 显 然比例调节器的增益决定于比例带 大小 显然 越大 增益越小 越小则增益 4 越大 增益的大小也间接地反映了反馈的强弱增益的大小也间接地反映了反馈的强弱 比例增益可以改善调节特性 但如 果使用不当 也可能导致系统不稳定并且可能产生振荡 因此多数比例调节器的比 例带做成可以调整的 通过比例带的调整 改变操作量 从而改变系统的增益 保 证调节系统稳定 不产生振荡 或仅产生衰减振荡 最后稳定于某一数值 一般情 况下 为了满足稳定性的需要 比例带可以选得宽一些 但比例带宽 操作量变化 小 增益低 能量平衡慢 被调量回复也慢 而且比例偏移也大 2 积分环节积分环节 积分调节作用可表示为 1 7 edt T P I 1 积分调节作用产生了一个积分调节作用产生了一个 90 相位滞后 也即积分输出落后于输入相位滞后 也即积分输出落后于输入 90 积分调 积分调 节增益等于积分输出与输入幅值之比 节增益等于积分输出与输入幅值之比 由于使用积分调节作用 产生了一个调节系 统的相滞后 使系统稳定性降低 当积分时间短 积分速度大 积分作用强 积分 增益也大时 也会使系统稳定性降低 因此积分环节主要用于消除静差 提高系统积分环节主要用于消除静差 提高系统 的无差度 积分作用的强弱取决于积分时间常数的无差度 积分作用的强弱取决于积分时间常数 TI TI越大 积分作用越弱 反之越大 积分作用越弱 反之 则越强 则越强 3 微分环节微分环节 微分调节作用可表示为 1 8 dt ed TP D 微分调节作用产生了一个超前微分调节作用产生了一个超前 90 的相移 即输出超前了的相移 即输出超前了 90 由于微分调节的 作用 使得整个调节系统相滞后减小了 从而增加了系统的稳定性 如果微分时间 短 微分作用弱 则对系统影响不显著 如果微分时间 TD太大 虽然微分作用强 超前的角度有利于系统稳定性 但 TD太大 增益也变大 增益过大 反而会降低 系统的稳定性 微分环节反映偏差信号的变化趋势微分环节反映偏差信号的变化趋势 变化速率变化速率 并能在偏差信号变 并能在偏差信号变 得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间减少调节时间 因此可以得出这样一个结论 PID 调节器综合了 P I D 三个调节的作用 所以它的相位角为 相位角为 180 I D 通过调整比例带 积分时间 微分时间就可以把系统调到所需要的稳定范围 5 1 3 温度控制器的研究现状温度控制器的研究现状 20 世纪 90 年代中后期 随着 Internet 的逐步普及 光纤通信整个领域呈现良 好的增长势头 从国外看 世界上很多著名的 IT 公司 如 阿尔卡特光电子 Liner 等 相继研制成功各种新型激光光源 光调制器以及光电探测器 从国内看 华为 中兴等大型通讯设备制造商都将光纤通信产品的研究作为公司的战略重点 可以看出 随着光纤网络的飞速发展 市场对光纤通信器件的需求量将越来越大 作为光电子系统的核心器件 大功率半导体激光器具有极大的研究 开发意义和市 场潜力 对于半导体激光器的恒温控制系统 国内外很多公司 学校及研究所都在 进行研究与开发 就目前恒温控制系统的国内外现状 做以下分析 目前 生产激光器温度控制器产品的国外公司中 处于领先水平的主要有 WAVELENGTH IXLight THORLABS McShane Linear Technology 等几家公司 WAVELENGTH 公司的恒温控制器产品主要型号有 MPT 系列 PID 系列 HTC 系列和 FPT 系列 IXLight 公司的恒温控制器产品主要型号有 LD5525 系列 LD3700 系列 THORLABS 公司的恒温控制器产品主要型号有 TEC2000 系列 McShane 公司的恒温控制器产品主要型号有 5C7 系列 Liner 以及 Analog Devices 等公司都推出了专用的热电致冷控制器芯片 如 Liner 公司的 LTC1923 Analog Devices 公司的 ADN8830 TI 公司的 DRV593 等 在这些温度控制器中 以 IXLight 公司的 LD3700 台式机 为例加以说明 其 特点为 由模拟器件和数字器件共同组成 可任意选择热敏电阻 RTD AD590 或 LM335 作为温度传感器 增加 GPIB IEEE 488 接口 实现与微机双向通讯 通 过前面板或微机界面都可以对整机进行自检 自校正 增加了系统运行的可靠性 有效地保护了半导体激光器二极管的安全 半导体致冷器具有独立的限流电路 输 出电流被限制到一定范围内 一旦超过限定电流 特定的报警指示灯点亮 采用过 热保护电路 确保温控器失灵情况下半导体激光器二极管的安全 主要技术参数 温度范围 99 150 短期稳定度 0 04 6 长期稳定度 0 01 半导体致冷器最大输出电流 4 A 到 4 A 半导体致冷器最大输出功率 16 W 价格 1800 美元 国内研究 生产专门用于激光器的温度控制器较少 产品基本上为时间比例调 节 固定参数 PID 调节等 温州上通仪表有限公司的 ST808 系列智能温度控制器采 用模糊 PID 控制算法 中国科学院安徽光学精密机械研究所利用数字式温度传感器 DS18B20 构造大功率 LD 恒温致冷系统 控温精度达到 0 1 中国工程物理研究 院流体物理研究所江孝国等人采用 PID 控制技术 研制的 LD 用温度控制系统 在 18 25 温度范围内 控温的稳定度优于 0 1 天津大学精密仪器与光电子工程 学院周瑜等人采用热敏电阻作为测温元件 以半导体致冷器作为控温执行元件 利 用高共模抑制比 高输入阻抗的运算放大器和模拟 PID 研制了一种 LD 用高精度 温度控制仪 控制精度可达 0 05 1 4 开发本模块的意义开发本模块的意义 本模块将主要应用于对温度控制精度要求高 功率要求相对较低 体积小集成 度高的场合 比如光纤光源常用到的半导体激光器 LD 的温度控制或光纤光栅温 度传感 半导体激光器的频率和波长与激光器的控制温度密切相关 其波长随温度 的典型变化值达到 0 4nm 而光纤的模式选择对于激光的波长有严格的要求 因 此在激光器上添加高精度温度控制模块非常重要 尽管国外产品的控温精度高 分辨度在 0 001 稳定性好 长期稳定性 0 005 但价格昂贵 而国内这些温度控制系统控温精度较高 但控温范围较窄 使其应用范围受到一定的限制 鉴于这种情况 研制一种高稳定度 低价格的温控 系统来控制光电器件的工作温度具有极其重要的现实意义和经济价值 本次设计包括研制驱动 反馈控制及显示子模块 开发 TEC 高精度温度控制 模块并进行实验研究测试模块性能指标 实现温度变化范围 20 120 精度优于 0 1 的精确温度控制 用于课题相关实验研究 7 1 5 本章小结本章小结 本章分为四个部分 首先介绍了本模块的开发是国家自然科学基金课题重大工 程灾害预警光纤地震波监测关键技术基础研究的辅助课题 其次介绍了与本设计相 关的 TEC 与 PID 控制方面的基本知识 接着介绍了国内外温度控制器的研究现状 国外产品功能全面性能优良但一般价格很高 国内产品精度很高但适用范围过窄 最后阐明了开发本模块的意义和本模块的优点 精度高 适用广 价格低 8 2 方案论证方案论证 2 1 总体方案总体方案 实现对温度的高精度控制需要对 TEC 的工作情况进行快速高效的控制 工业 上常用的比例 积分 微分控制 PID 十分符合基于 TEC 的高精度温度控制模块的 要求 使用 PID 控制的方法 与 TEC 产生热输送功率相对应 需要加入温度探测 器产生反馈信号来引入反馈 需要加入一个控制核心对信息进行计算处理 需要加 入信号转换及驱动电路模块控制 TEC 的工作 需要加入显示模块来显示设定温度 值和当前温度值等相关信息 总体方案模块图如图 2 1 所示 图 2 1 总体方案模块图 其工作原理工作原理为 工作时 由温度探测器对被控物体进行温度采样 获得温度信工作时 由温度探测器对被控物体进行温度采样 获得温度信 号反馈到控制核心中 在控制核心中与设定的标准温度值进行比对 经过号反馈到控制核心中 在控制核心中与设定的标准温度值进行比对 经过 PID 算法算法 计算后输出控制信号 由信号转换及驱动电路进行转换 得到计算后输出控制信号 由信号转换及驱动电路进行转换 得到 TEC 的驱动电流 的驱动电流 对对 TEC 进行加热或者致冷的调整 进行加热或者致冷的调整 当 TEC 获得正向的电流时 对被控物体进行致 冷 使被控物体温度降低 当 TEC 获得反向电流 对被控物体进行加热 使被控 物体温度升高 在 PID 算法中 温度基本偏差 受控物体的温度高于或者低于设定 的额定温度的值 累积偏差以及温度偏差对时间的微分都会对 TEC 的致冷或者加 热功率产生影响 这种受控的功率变化使被控制物体的温度尽快回复并且减少震荡 使其保持在设定温度以微小幅度变动 由于温度探测器采样有一定的频率 因此反 信号转换与 驱动电路 被 控 物 体 显示模块控制核心 温度采集TEC 控制信号 反馈信号 驱动电流 9 馈信号为离散信号 本设计中使用的是离散化 PID 控制 2 2 控制核心方案控制核心方案 有多种常用的控制核心可以用来进行 PID 控制 本系统所需的控制核心计算量 较小 对控制速度的要求只需达到 MHz 级别 从效率和成本综合考虑 单片机是 最佳的选择 单片机是一种高效的微控制器 为很多嵌入式系统提供了高效且廉价的解决方 案 相比于 PLD ARM 等 单片机更加适合该模块 本系统中 单片机负责对温度探测器获得的温度反馈信号进行处理 经过单片机负责对温度探测器获得的温度反馈信号进行处理 经过 PID 算法计算怎样控制算法计算怎样控制 TEC 使温度保持稳定 向信号转换及驱动电路传递的控制信号使温度保持稳定 向信号转换及驱动电路传递的控制信号 包含所有的控制信息 电流的方向和大小或者频率 占空比等 包含所有的控制信息 电流的方向和大小或者频率 占空比等 单片机向显示屏 单片机向显示屏 发送信号实时显示温度探测器探测的温度 发送信号实时显示温度探测器探测的温度 这里选择的是 51 核心的单片机核心的单片机 C8051F020 其内部具有自带的 12 位 ADC 因此在温度采集模块中如果使用模拟型温度探测器就不需要另外加入 AD 转换电路 同时它包含 PCA 功能部件 有 8 位和 16 位 PWM 工作方式 也给 PWM 控制提供 了便利 4 C8051F020 是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片 具有 64 个数字 I O 口 引脚 下面列出了一些主要特性 1 高速 流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 2 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 3 真正 12 位 100 ksps 的 8 通道 ADC 带 PGA 和模拟多路开关 4 真正 8 位 500 ksps 的 ADC 带 PGA 和 8 通道模拟多路开关 5 两个 12 位 DAC 具有可编程数据更新方式 6 64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器 7 4352 4096 256 字节的片内 RAM 8 可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 9 硬件实现的 SPI SMBus I2C 和两个 UART 串行接口 10 5 个通用的 16 位定时器 11 具有 5 个捕捉 比较模块的可编程计数器 定时器阵列 10 12 片内看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器 13 具有片内 VDD 监视器 看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020 1 2 3 是真正能独立工作的片上系统 2 3 显示模块方案显示模块方案 显示模块需要显示设定的工作温度 当前实际温度等信息 这里提出两种参考 方案 方案一方案一 采用光电数码管光电数码管搭配控制芯片及驱动电源构成 优点 结构简单 电路搭建方便 缺点 显示内容过少 不够直观 方案二方案二 采用点阵液晶屏幕点阵液晶屏幕 优点 能显示汉字 字母 字符多种信息 且能容纳更多的显示内容 缺点 相关的软件驱动和硬件接口需要占用更多的单片机资源 方案一和方案二都符合显示模块的要求 但是方案一只能显示简单的数字 而 方案二可以显示字母 汉字和更多的内容 选择方案二可以在显示屏中方便地添加 各种警示信息 比如温度过高警示 也可以显示中间变量的值 便于调试 因此 显示模块选用方案二 2 4 TEC 方案方案 TEC 是温度调控元件 通过调节输入电流的大小和方向来调节致冷还是加热以是温度调控元件 通过调节输入电流的大小和方向来调节致冷还是加热以 及致冷或者加热的速度及致冷或者加热的速度 本模块是用的 TEC 的产品型号为 TEC1 7104 1 外形尺寸 23mm 23mm 3 2 mm 0 1 2 元件对数 71 3 引线标准 20AWG UL1569 105 标准镀锡导线 PVC 绝缘皮 引线长 150 5mm 线端部剥皮 7 1mm 引线焊在热面一端 4 阻值 1 50 1 70 环境温度 23 1 1kHzAC 测试 5 最大温差 Tmax Qc 0 65 68 6 工作电流 Imax 4 0A 7 最大电压 Vmax 8 4VDC 图 2 2 一种点阵液晶屏 11 8 最大致冷功率 Qcmax 21W 9 承受装配压力 39 2N cm2 10 工作环境温度范围 55 80 11 封胶 四周 704 硅橡胶密封 12 存放条件 环境温度 10 40 相对湿度不大于 80 通风且无腐蚀性 气体的仓库内 图 2 3 TEC 工作示意图 图 2 4 TEC 产品实物图 2 5 信号转换与驱动电路模块方案信号转换与驱动电路模块方案 信号转换信号转换及驱动电路模块驱动电路模块是该高精度温度控制模块的关键之一 该部分需要提 供 TEC 的工作电流 能带动最高 20W 的功率的负载 最大工作电流 Imax为 4 0A 最大电压 Vmax为 8 4VDC 能提供正向和反向的电流 同时还需要根据控制信号改 变驱动电流 使致冷或加热功率能够改变 配合单片机的控制信号一起工作 方案一方案一 采用数模转换电路数模转换电路 将单片机提供代表电流大小的数字信号转换为相 关电流 以改变电流的大小来改变 TEC 的输出功率 提供直流恒压来驱动 TEC 工 作 这是一种线性驱动模式线性驱动模式 5 图 2 5 为方案一示意图 虚线框表示器件不属于此 模块 下同 优点 原理简单 配合控制更加直观 缺点 要搭建高负载电流控制电路 效率低 功耗大 图 2 5 信号转换与驱动电路方案一原理示意图 方案二方案二 将恒直流电流大小的调整改为脉冲电流脉宽的调整将恒直流电流大小的调整改为脉冲电流脉宽的调整 使用 PWM 方式 单片机DA 转换隔离放大 H 桥驱动 电路 TEC 12 同样可以改变输入功率 这样就将 D A 转换改变为对脉冲波形的控制 可以采用 MOSFET 作为执行机构 用 MOSFET 组成 H 桥 或者选择一种集成的 PWM 式控 制的驱动芯片 对电流进行方向和导通时间的控制 6 相关模块图如下 图 2 6 信号转换与驱动电路方案二原理示意图 优点 反应速度更快 调试更加方便 调节精度高 缺点 电磁干扰大 方案一和方案二都符合该模块的要求 方案一与方案二稳定性差异很小可以忽 略 从电路搭建的成本考虑 采用方案二更加经济 这里选择了一款含有 H 桥的 PWM 式驱动芯片来搭建信号转换与驱动电路 在 3 3 小节中进行了具体介绍 2 6 温度采集模块方案温度采集模块方案 准确地探测被控物体的温度并反馈高分辨率的温度探测信号是实现高精度温度准确地探测被控物体的温度并反馈高分辨率的温度探测信号是实现高精度温度 控制的前提控制的前提 因此温度探测元件的选择对高精度温度控 制器的精度有极大的影响 温度采集模块会以一定的频 率对被控物体的温度进行采样 然后将探测信号反馈给 控制核心 精确度需要达到 0 1 方案一方案一 采用热敏电阻配合热敏电阻配合 A D 转换器转换器 7 优点 电路简单 可以根据要求进行组合或封装 缺点 探测值不够精确 稳定度不如其他集成温度探 测元件 方案二方案二 使用集成的模拟温度探测器模拟温度探测器 比如 AD590 温度感应电流源 AD590 的主要性能为电源电压 4 30V 工作温度 50 150 标定系数 1 A K 优点 精度高 使用方便 缺点 需要将电流值转换为电压值 方案三 方案三 使用集成的数字温度传感器数字温度传感器 比如 DS18B20 其测量范围 55 到 125 最低分辨率可以达到 0 0625 采样周期为 93 75ms 图 2 7 集成温度探测器 DS18B20 单片机 波形发生 电路 隔离电路 H 桥驱动 电路 TEC 13 优点 精度高 使用方便 串口通信利于单片机接受和处理信号 缺点 采样周期固定 电路搭建没有模拟元件灵活 方案二与方案三各方面均优于方案一 且都符合该高精度温度控制模块的要求 AD590 可以通过调节接入电阻的大小改变探测的分辨率 且采样周期可由单片机来 决定 在数据处理上比 DS18B20 更加灵活 本系统的设计选择方案二来搭建温度 采集模块 2 7 本章小结本章小结 本章提出了可供本设计选择的各种方案 并讨论其优缺点 选择出了最适合本 设计的方案 首先 将该温度控制模块分为了控制核心控制核心 显示模块显示模块 温度采集温度采集 信信 号转换与驱动电路号转换与驱动电路 TEC 等五个子模块 介绍了子模块的连接 配合与总体工作流 程 然后对各个子模块提出了几种不同的设计方案 对比了各自的优点和缺点 从 性能 成本 适用性等多方面考虑筛选出了各个子模块中的最佳者 将其组合构成 本次设计 基于 TEC 的高精度温度控制模块 14 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 1 温度采集模块温度采集模块 温度传感器种类很多 常用的温度传感器有热膨胀式传感器热膨胀式传感器 电阻式传感器电阻式传感器 热电偶传感器热电偶传感器 集成温度传感集成温度传感器等 本系统采用集成温度传感器集成温度传感器 AD590 它是电流 它是电流 输出型温度传感器 以电流输出量作为温度指示 其电流温度灵敏度为输出型温度传感器 以电流输出量作为温度指示 其电流温度灵敏度为 1 A K 相 比于一些数字温度探测元件 AD590 的模拟电流输出具有精度更高的优势 由于它 的输出电流精确地正比于绝对温度 故可以作为精确测温元件 也可作为其它温度输出电流精确地正比于绝对温度 故可以作为精确测温元件 也可作为其它温度 元件的校正和补偿器件元件的校正和补偿器件 AD590 只需要一个电源 4V 30V 即可实现温度到电 流大小的转换 使用方便 应用中不需要电源滤波器 导线温度补偿和线性化电路 AD590 的线性工作曲线大大简化了数据处理的复杂程度 由于内部采用激光微调 器件的一致性 均匀性非常好 容易互换 AD590 的校准精度可达 0 5 当其在 常温区范围内校正后 测量精度可达 0 1 在全温区范围内 50 150 使用 精 度也可高达 1 作为一种正比于温度的高阻电流源 它克服了电压输出型温度传作为一种正比于温度的高阻电流源 它克服了电压输出型温度传 感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题 不易受接触电感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题 不易受接触电 阻 引线电阻 电压噪声的干扰 因此 除适用于多点温度测量外 特别适用于远阻 引线电阻 电压噪声的干扰 因此 除适用于多点温度测量外 特别适用于远 距离温度测量和控制 另外 距离温度测量和控制 另外 AD590 可以承耐可以承耐 44 V 及反向及反向 20 V 电压 外加电源电压 外加电源 紊乱或管脚接反不会损坏器件紊乱或管脚接反不会损坏器件 8 AD590 的主要性能如下 电源电压 4 30V 工作温度 50 150 标定系数 1 A K 重复性 0 1 长期漂移 0 1 Mon 电压抑制比 0 5 A V 4V VS 5V 0 2 A V 5V VS 15V 15 0 1 A V 15V VS 30V 封装图和基本使用电路如图 3 1 和图 3 2 图 3 1 AD590 封装图 图 3 2 AD590 基本使用电路 当电阻 R1和电位器 R2的电阻之和为 1k 时 输出电压 V0随温度的变化为 1mV K 但由于 AD590 的增益有偏差 电阻也有误差 因此应对电路进行调整 调整的方法为 把调整的方法为 把 AD590 放于冰水混合物中 调整电位器放于冰水混合物中 调整电位器 R2 使 使 V0 27 32mV 这样调整可保证在这样调整可保证在 0 附近有较高精确度 附近有较高精确度 因为半导体激光器通常在室温条件下使 用 所以一般在室温下 25 条件下调整电位器 使 V0 273 2 25 298 2 mV 这样 可以保证在 25 附近有较高的精确度 图 3 3 是该温度采集模块的电路原理图 它是一个摄氏温度测量电路 将热力一个摄氏温度测量电路 将热力 学温标转换成摄氏温标学温标转换成摄氏温标 AD590 与地之间连接一个 10k 的电阻的电阻 这个电阻上的 压降就为 l0mV K 用一个 9 6k 的电阻的电阻与一个 lk 的电位器串联 调节电位器获 得精确的 10k 其中运算放大器运算放大器 U1 图中左边的 OP07 被接成电压跟随器电压跟随器形式 以 增加信号的输入阻抗 而运放运放 U2 图中右边的 OP07 构成了一个差分放大电路差分放大电路 9 它的作用是把绝对温标转换成摄氏温标 调节滑动变阻器 R4 给 V3 点输入一个恒 定的电压 2 73V 这样就构成了一个差分比例运算电路 从 TPOUT 输出的电压就 16 转换成了摄氏温标 图 3 3 温度采集模块电路原理图温度采集模块电路原理图 由图 3 3 可知 3 1 KA T I 1 3 2 KA t I 1 273 3 3 AtI 6 10 273 3 4 100 73 2 21 t RRIVi 3 5 t R R VV i 02 0 73 2 5 8 1 其中 T 为热力学温度 I 为流经 R1 的电流 Vi 为 U1 正输入端 图中的引脚 3 的电压 V1 为 TPOUT 的输出电压 例如 若温度为 28 则 Vo 0 56V 由 TPOUT 输出的电压值提供给 C8051F020 的 AD0 输入口 AIN0 在单片机内 经过数字化转换得到温度的摄氏温度数值 放大电路采用低温漂高精确度的芯片放大电路采用低温漂高精确度的芯片 OP07 其输入失调电压 其输入失调电压 0 7mV 输入端温度信号灵敏度可达到 输入端温度信号灵敏度可达到 l mV 3 2 显示模块显示模块 本系统选用的点阵液晶屏点阵液晶屏采用金鹏电子有限公司出产的 OCMJ 奥可拉中文集 奥可拉中文集 成模块 成模块 C 系列液晶显示模块中的系列液晶显示模块中的 OCMJ4X8C C 系列中文模块可以显示字母 系列中文模块可以显示字母 17 数字符号 中文字型及图形 具有绘图及文字画面混合显示功能 提供三种控制接数字符号 中文字型及图形 具有绘图及文字画面混合显示功能 提供三种控制接 口 分别是口 分别是 8 位微处理器接口 位微处理器接口 4 位微处理器接口及串行接口 所有的功能 包含位微处理器接口及串行接口 所有的功能 包含 显示显示 RAM 字型产生器 都包含在一个芯片里面 只要一个最小的微处理系统 字型产生器 都包含在一个芯片里面 只要一个最小的微处理系统 就可以方便操作模块就可以方便操作模块 内置内置 2M 位中文字型位中文字型 ROM CGROM 总共提供总共提供 8192 个中个中 文字型文字型 16 16 点阵点阵 16K 位半宽字型位半宽字型 ROM HCGROM 总共提供总共提供 126 个符号字个符号字 型型 16 8 点阵点阵 64 16 位字型产生位字型产生 RAM CGRAM 另外绘图显示画面提供一个 另外绘图显示画面提供一个 64 256 点的绘图区域 点的绘图区域 GDRAM 可以和文字画面混和显示 可以和文字画面混和显示 提供多功能指令 提供多功能指令 画面清除 画面清除 Display clear 光标归位 光标归位 Return home 显示打开 显示打开 关闭 关闭 Display on off 光标显示 光标显示 隐藏 隐藏 Cursor on off 显示字符闪烁 显示字符闪烁 Display character blink 光标移位 光标移位 Cursor shift 显示移位 显示移位 Display shift 垂直画面卷动 垂直画面卷动 Vertical line scroll 反白显示 反白显示 By line reverse display 待命模式 待命模式 Standby mode 主要参数 1 工作电压 VDD 4 5 5 5V 2 逻辑电平 2 7 5 5V 3 LCD 驱动电压 Vo 0 7V 4 工作温度 Ta 0 55 常温 20 75 宽温 保存温度 Tstg 10 65 常温 30 85 宽温 图 3 4 OCMJ4X8C 外形尺寸图 18 表 3 1 OCMJ4X8C 引脚说明 引 脚 名称 方 向 说明引脚名称 方 向 说明 1VSS GND 0V 11DB4I O数据 4 2VDD Supply Voltage For Logic 5V 12DB5I O数据 5 3V0 Supply Voltage For LCD 悬空 13DB6I O数据 6 4RS CS I H Data L Instruction Code chip enable for serial mode 14DB7I O数据 7 5R W ST I H Read L Write serial data for serial mode 15PSBI H Parallel Mode L Serial Mode 6E SCLK I Enable Signal 高电平有效 serial clock 16NC 空脚 7DB0I O数据 017 RSTI Reset Signal 低电 平有效 8DB1I O数据 118NC 空脚 9DB2I O数据 219 LED A 背光源正极 5V 10DB3I O数据 320 LED B 背光源负极 0V OCMJ4X8C 具有 20 个输入引脚 可以平行输入控制命令和显示数据 本系统 的设计中让 C8051F020 单片机的 P1 口输出屏幕控制命令 P2 口输出显示数据 具 体的显示控制程序见附录中的程序代码 3 3 信号转换及驱动电路模块信号转换及驱动电路模块 本系统所用到的半导体致冷器是半导体致冷器是 TEC1 7104 其正常工作最大电压为 8 4V 最 大电流 4 0A 要驱动要驱动 TEC1 7104 驱动电路必须达到三点要求 驱动电路必须达到三点要求 1 能够改变电流的方向 使能够改变电流的方向 使 TEC 既可以致冷也可以加热 既可以致冷也可以加热 2 能够调节电流的大小或者进行能够调节电流的大小或者进行 PWM 控制 即能够改变控制 即能够改变 TEC 的功率 这样的功率 这样 19 才能进行才能进行 PID 控制 控制 3 能带动至少能带动至少 2A 电流和电流和 8W 的功率的负载 的功率的负载 常用的步进直流电机驱动芯片 L298N 能很好的符合以上要求 L298N 是专用是专用 驱动集成电路 属于驱动集成电路 属于 H 桥集成电路桥集成电路 与另一种电机驱动芯片 L293D 的差别是其输 出电流增大 功率增强 L298N 的输出电流为 2A 最高电流 4A 最高工作电压 50V 可以驱动感性负载 如大功率直流电机 步进电机 电磁阀等 特别是其输可以驱动感性负载 如大功率直流电机 步进电机 电磁阀等 特别是其输 入端可以与单片机直接相联 从而很方便地受单片机控制 当驱动直流电机时 可入端可以与单片机直接相联 从而很方便地受单片机控制 当驱动直流电机时 可 以直接控制两路电机 并可以实现电机正转与反转 实现此功能只需改变输入端的以直接控制两路电机 并可以实现电机正转与反转 实现此功能只需改变输入端的 逻辑电平逻辑电平 图 3 5 L298N 封装示意图封装示意图 图 3 6 是为本系统设计的 TEC 驱动模块的电路原理图 板上的板上的 ENA 与与 ENB 为为 高电平时有效 只有当高电平时有效 只有当 ENA 为高电平时 为高电平时 TEC 才会获得电流 否则才会获得电流 否则 TEC 将不会将不会 工作 这里的电平使用的是工作 这里的电平使用的是 TTL 电平电平 ENA 为为 IN1 和和 IN2 的使能端 的使能端 ENB 为为 IN3 和和 IN4 的使能端的使能端 在在 TEC 连接连接 OUT1 和和 OUT2 的情况下 当的情况下 当 ENA 1 IN1 1 INT2 0 时 时 TEC 获得正向电流 对受控物体致冷 获得正向电流 对受控物体致冷 ENA 1 IN1 0 IN2 1 时 时 TEC 获得反向电流 对受控物体加热获得反向电流 对受控物体加热 同理 在在 TEC 连接连接 OUT3 和和 OUT4 的情况的情况 下 当下 当 ENB 1 IN1 3 INT4 0 时 时 TEC 获得正向电流 对受控物体致冷 获得正向电流 对受控物体致冷 ENB 1 IN3 0 IN4 1 时 时 TEC 获得反向电流 对受控物体加热获得反向电流 对受控物体加热 POWER 接直 流电源 电源正端为 VCC 电源负端为 GND L298N 的 5V 由模块内部 7805 稳 20 压后提供 图 3 6 信号转换与驱动电路模块电路原理图信号转换与驱动电路模块电路原理图 本设计采用的是 C8051F020 单片机 P0 0 和 P0 1 两个 I O 口输出连接 L298N 的两个使能端 P0 4 和 P0 5 连接 L298N 的 IN1 和 IN2 其中 P0 0 输出给 ENA 作 为 PWM 波的输出用来控制 TEC 的脉宽从而控制加热或者致冷的速度 具体控制如 表 3 2 所示 表 3 2 单片机输出控制表 ENA P0 0 IN1 P0 4 IN2 P0 5 控制结果 TEC 加热致冷 0XX无电流 停止工作 100无电流 停止工作 101反向电流 TEC 加热 110正向电流 TEC 致冷 111无电流 停止工作 3 4 本章小结本章小结 本章结合第二章的方案组合对系统的硬件设计进行了具体介绍 首先设计了温 度采集模块的电路 对传感器 AD590 的工作电路和绝对温度转摄氏温度电路进行 了具体的介绍和计算 然后介绍了显示模块采用的元件 OCMJ4X8C 的功能 连接 方式和控制方法 最后介绍了信号转换及驱动电路模块的电路 对 L298N 的元件特 性 单片机的输出控制和致冷加热的转换过程进行了详细阐述 控制核心与 TEC 由于采用现有的器件 不必自行设计 而且已经在第 2 章中有详细的介绍 因此在 21 本章中没有提及 22 4 系统的软件设计系统的软件设计 4 1 控制算法和驱动方法控制算法和驱动方法 使用怎样的控制算法和驱动方法直接影响到单片机程序的总体框架和流程 因 此这里先介绍本设计中使用的 PID 算法和 PWM 控制方法 4 1 1 本系统的本系统的 PID 算法算法 由于温度探测器采样有一定的频率 因此反馈信号为离散信号 本设计中使用 离散化 PID 控制 将公式 1 3 改写为离散化 数字化 形式 10 15 得到 4 1 1 0 keke T T te T T keKku d k t i p 其中 e k 为基本偏差 T 对应偏差的积分 e k e k 1 T 对应偏差的微分 k t te 0 u k 是输出 Kp为比例系数 Ti 为积分时间常数 Td 为微分时间常数 T 为采样周 期 本设计使用的本设计使用的 PID 算法为直接算法为直接 PID 算法算法 即输出的控制量是由基本偏差即输出的控制量是由基本偏差 累累 计偏差计偏差 相对偏差直接算出相对偏差直接算出 PID 算法分为两个区间使用 使用的函数如下 4 2 ate ate ateateteKteKteK P dip out 0 255 1 其中 Pout为输出的脉宽控制量 e t 为温度基本偏差 e t 为累计偏差 表 示 e t 从 1