基于ADN8830及MSP430的TEC温度控制电路的设计

WORD格式整理版/基于ADN8830的半导体温度控制系统摘要本设计提出一种基于AD公司的热电制冷控制器ADN8830的高性能、高稳定性的TEC控制电路。该电路通过简单的电容、电阻构成的外部PID<比例积分微分>补偿网络,能够使目标温度在30s内稳定在最佳工作点,温度控制精度可0.1℃。控制核心采用MSP430单片机,单片机通过数字温度传感器DS18B20读取当前温度,通过DAC输出电压控制信号给ADN8830来调节流过TEC的电流。实验结果表明该方案具有效率高、功耗低、体积小等优点。关键词：ADN8830;TEC;温度控制;MSP430;PIDApplicationofADN8830inAutomaticTemperatureControlofTECAbstractAThermo-ElectricCooler<TEC>controlcircuitofhighperformanceandstabilityispresented,whichisdevelopedbyathermoelectriccoolercontroller,namedADN8830,producedbyAnalogDevicesInc.AnoutsideProportionIntegralDifferential<PID>compensationnetworkconstructedbysimplecapacitancesandresistors,whichcanmakethetemperatureofdetectorreachtheoptimumoperatingpointin30sandtheprecisionofthiscontrolcircuitis0.1℃.TheMSP430microcontrollerimplementsacontrollerusingadigitaltemperaturesensorDS18B20toreadthecurrenttemperature,adigital-to-analogconverterDAC8571tooutputacontrolsignaltoADN8830whichadjuststhecurrentthroughtheTEC.Theexperimentalresultsshowthatthisschemeoftemperaturecontrolhastheadvantageofhigheffectiveness,lowpowerandcompactsize.Keywords:ADN8830;TEC;temperaturecontrol;MSP430;PID目录TOC\o"1-4"\h\u第一章绪论51.1课题研究背景及意义51.2半导体制冷原理51.3半导体制冷技术的国内外发展71.4论文主要研究内容及章节分布8第二章系统方案设计92.1系统设计要求92.2系统方案设计9设计方案一92.2.2设计方案二112.2.3方案对比与选择122.3系统方案设计13第三章系统硬件设计163.1引言163.2系统电源设计163.3单片机及其外围电路设计17单片机MSP430F149及其最小系统的设计17液晶显示器LCD12864的设计18独立式按键的设计20测温电路的设计203.4ADN8830及其外围电路设计21芯片介绍22温度采集与温度设定电路设计23选频网络设计26补偿网络设计27其他外围电路设计293.5功率驱动H桥模块的设计29第四章软件设计324.1引言324.2设计调试环境及工具324.3主程序的设计334.4LCD12864显示子程序的设计404.5时间显示子程序的设计424.6按键子程序的设计444.7DS18B20子程序的设计454.8DAC8571子程序的设计48第五章实验与验证515.1引言515.2硬件调试52电源电压稳定性纹波特性测试52输出精度测试52桥输出纹波测试52满功率工作时通过TEC的平均电流,及TEC两端的电压。52温度与DAC输出电压关系的标定525.2.6TEC的安装及散热条件测试525.3软件调试53显示实验：53时间显示程序实验53按键调试实验54温度采集调试实验54温度设置功能调试实验55控制调试实验56第六章总结与展望57参考文献58致谢59附录60系统源代码60第一章绪论1.1课题研究背景及意义由于体积小、功耗低、寿命长和易于调制,半导体激光器<LaserDiode>作为一种新型激光光源已广泛应用于通讯、医疗和测量等各个领域。LD易于调制的特点在于LD的输出波长易受温度和注入电流的影响。普通LD的电流调制系数约为0.025nm/mA,温度调制系数约为0.3～0.4nm/℃。在对波长稳定性要求较高的场合,诸如干涉测量和光谱吸收气体检测待高精度测量应用中,必须对LD温度进行精确控制。在应用中,希望激光器启动后以最短的时间达到热平衡过程,系统迅速进入稳定的工作状态。为此,需要在保证系统工作精度的前提下,研究一种简单、实用、有效的温控系统,以达到快速启动的目的。基于TEC的精密温控器实现了对机壳的快速、高精度的温度控制。TEC即半导体致冷器,由于其体积小,无机械转动部件和噪声,能加热和制冷,并且不需要使用制冷剂以及使用寿命长的优点,在实验技术、医疗技术、航天航空、船舶等的温度控制领域得到了广泛应用。但制冷系数低和制冷量小的不足限制了它的广泛应用。在激光二极管的温度控制中,我们期望的温控系统恰恰要求体积小巧,工作安静。选用半导体制冷/制热,对该小制冷/加热量、小体积的系统无疑是很好的选择。半导体制冷片的实物如图1.1所示。图1.1半导体制冷片实物图本文提供的设计方案能为很多类似小功率半导体激光器的需要精确温度控制场合提供有效支持。1.2半导体制冷原理在原理上,半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时,两端之间就会产生热量转移,热量就会从一端转移到另一端,从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量,从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差,这两种热传递的量相等时,就会达到一个平衡点,正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度,可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40～65度之间,如果通过主动散热的方式来降低热端温度,那冷端温度也会相应的下降,从而达到更低的温度。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生能量的转移,电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量,成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量,成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定,以下三点是热电制冷的温差电效应。1.塞贝克效应〔SEEBECKEFFECT一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时,如两个连接点保持不同的温差,则在导体中产生一个温差电动势：<1.1>式中：ES为温差电动势S为温差电动势率〔塞贝克系数△T为接点之间的温差2.珀尔帖效应〔PELTIEREFFECT一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应,即当电流流经两个不同导体形成的接点时,接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热大小由电流的大小来决定。<1.2>式中：Qπ为放热或吸热功率π为比例系数,称为珀尔帖系数I为工作电流a为温差电动势率Tc为冷接点温度3.汤姆逊效应〔THOMSONEFFECT当电流流经存在温度梯度的导体时,除了由导体电阻产生的焦耳热之外,导体还要放出或吸收热量,在温差为△T的导体两点之间,其放热量或吸热量为：<1.3>式中：Qτ为放热或吸热功率τ为汤姆逊系数I为工作电流△T为温度梯度1.3半导体制冷技术的国内外发展热电制冷又称温差电制冷,或帕尔帖制冷,由于目前热电制冷采用的都是半导体材料,因此也被称为半导体制冷。是在1834年发现的帕耳帖效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。它是利用半导体材料组成PN结,通过给其两端施加直流电进行制冷。热电制冷器是利用电能直接实现热能传递的一种特殊半导体器件。同一般机械制冷相比,不需要马达、泵、压缩机等机械运动部件,因而不存在磨损和噪声,也不需要像氨、氟利昂之类的制冷工质、制冷剂及其传输管路。除此之外,它还具有结构紧凑、体积小、寿命长、制冷迅速、冷热转换快、操作简单、无环境污染等优点。开辟了制冷技术的一个独特新分支。但由于当时只能使用热电性能差的金属和合金材料,能量转换的效率很低,例如,当时曾用金属材料中热电性能最好的锑铋<SbBi>热电偶做成熟电发生器,其效率还不到l％。因此,热电效应在制冷技术上没有实际应用。直到第二次世界大战后,苏联科学院半导体研究所,约飞院士对半导体进行了大量研究,于一九五四年发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果,这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后,有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数,才达到相当水平,得到大规模的应用,也就是我们现在的半导体制冷片件。为使该方面的技术得到广泛应用,世界各国均投入了不少力量进行材料、工艺以及制冷技术等方面的理论和应用研究,GE和WH等四家大公司同时对美国海军提出的核潜艇空调和制冷系统热电化进行了不同类型和系统的样机研制,大大推进了热电制冷技术在这方面的发展。中国在半导体制冷技术开始于50年代末60年代初,当时在国际上也是比较早的研究单位之一,60年代中期,半导体材料的性能达到了国际水平,60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间,一方面半导体制冷材料的优值系数提高,另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力,获得了半导体制冷片,因而才有了现在的半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。当前,国外专门从事半导体制冷器生产的厂家以MARLOW、MELCOR、CAMBION三家公司最具代表性。热电制冷具有诸多特点,应用开发几乎涉及所有制冷领域,尤其在制冷量不大,又要求装置小型化的场合,更有其优越性。它在国防、科研、工农业、气象、医疗卫生等领域得到了广泛应用,用于仪器仪表、电子元件、药品、疫苗等的冷却、加热和恒温。如无线电元件恒温器、微机制冷器、红外探测器制冷器、便携式冰箱、旅游汽车冷热两用箱、半导体空调器、军用和医用制冷帽、自内障摘除器、病理切片冷冻台、潜艇空调器等。半导体制冷器未来将向大功率与微小型方向发展,尤其在民用和其它市场开发项目中。在日益发展的高科技领域中热电制冷正越来越显示出它的重要地位,这不仅仅是由于氟利昂制冷剂因其对大气的污染而将被禁用,更主要的是因为这种制冷技术的特殊优越条件和不可替代性。可以深信,半导体制冷技术在未来将得到更广泛的应用。1.4论文主要研究内容及章节分布本文主要针对半导体制冷TEC精确温控进行了研究,主要分硬件设计和软件设计两部分,全文共分六章,每章的题目及具体内容如下：第一章绪论,主要介绍了课题研究背景和研究意义,以及半导体制冷技术的国内外发展现状。第二章整体方案设计,主要进行了方案的论证与对比,同时对整体方案的设计进行了简单的介绍。第三章硬件电路设计,主要介绍了单片机及其外围电路的设计,ADN8830及其外围电路的设计,功率驱动电路H桥的设计。第四章软件设计,主要介绍了主函数的设计,各部分功能模块程序的设计。第五章实验与验证,主要介绍了整个系统的实验调试过程,包括硬件设计调试,软件的设计与调试。第六章总结与展望,主要对全文工作进行了总结,并对研究工作进行了展望。第二章系统方案设计2.1系统设计要求设计一套用ADN8830驱动的TEC温度自动控制电路,采用单片机作为控制器,并达到以下要求：1.温度检测精度至少达到0.5℃2.目标温度控制稳定性达到0.5℃；3.环境温度与预设温度相差5℃4.能通过按键预设温度,并将预设温度和当前温度显示在LCD显示器上。2.2系统方案设计为了完成2.1节提出的系统设计要求,在参考相关资料的基础上,提出了以下两个设计方案。设计方案一此方案核心是采用单片机数字PID方法达到调控温度目的。热敏电阻将温度转换成电压,经温度采集电路放大、滤波后,送A/D转换器采样、量化,量化后的数据送单片机做进一步处理；当前温度数据和设定温度数据经PID算法得到温度控制数据；调制的控制信号经功率驱动电路控制半导体致冷器加热或制冷,从而实现温度的闭环控制。在方案一中,系统主要由以下三部分组成：1.温度采集,2.模糊PID算法,3.功率驱动电路。方案一的系统组成原理框架如图2.1所示。下面分别对每个部分进行说明。图2.1方案一的系统组成框架图1.温度采集温度采集用了热敏电阻,这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势；经过铂电阻特性分析,在要求的温度范围内铂电阻的线性较好,所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外,由于高精度的需要,电路对电源要求较高,所以采用稳压电源电路的输出电压,并且需要高精度运放。因为温度变化并不是很快,所以电路对滤波器的要求并不高,采用了一阶滤波即可满足要求。2.温度PID控制由单片机采用模糊PID算法,通过Pvar、Ivar、Dvar〔比例、积分、微分三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。方案一的温度控制原理如下：本系统的温度控制器的制热/制冷元件是TEC。TEC通过电流制热/制冷时,热层结构存在梯形温差,越靠近TEC部分温度越高/低。当目标温度升高/降低至设定温度时,温度控制器会发出信号停止制热/制冷。但这时靠近TEC热层的温度会高于设定温度,热层还将会对器件进行加热或者吸取热量,即使温度控制器发出信号停止制热/制冷,被加热器件的温度还往往继续上升/下降几度,然后才开始下降/上升。当下降/上升到设定温度的下限/上限时,温度控制器又开始发出制热/制冷的信号,开始制热/制冷,但TEC要把温度传递到被加热器件需要一定的时间,这就要视TEC与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新制热/制冷时,温度继续下降/上升几度。所以,传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象,但这不是温度控制器本身的问题,而是整个热系统的结构性问题,使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。增量式PID算法的输出量为：ΔUn=Kp[<en-<en-1>>+<T/Ti>en+<Td/T><<en-2>*<en-1>+en-2>]〔2.1式中,en、<en-1>、<en-2>分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值,Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数,T为采样周期。单片机每隔固定时间T将现场温度与设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式,由公式输出量决定PWM方波的占空比,后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大,加热电路的加热功率大,使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之,二者的偏差小则占空比减小,加热电路加热功率减少,直至目标值与实测值相等,达到自动控制的目的。3.功率驱动电路功率驱动电路采用H桥电路,由单片机输入的PWM控制信号通过对MOS管的开关控制达到调节TEC功率跟电流方向的目的。设计方案二此方案是采用AND8830为核心器件来达到调控温度的目的。ADN8830是一个TEC控制器,用于设定和稳定TEC的温度。每个加载在ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC供热或是制冷。器件的温度由一个热敏电阻来测量并反馈给ADN8830,用于调整系统回路和驱动TEC工作。ADN8830集成了精密的输入放大器用以准确测量目标温度和器件实际温度之间的差别；补偿放大器用以优化TEC对温度间隔的反应和一个高输出电流用以满TEC工作的电流。同时TEC控制器能让TEC高效率工作以减小热量,在达到目标温度系统稳定后应该有相应指示。温度的设定采用一个DAC提供,用户可以通过操作面板按键输入想要设定的目标温度。反馈给AND8830的电压信号是用一个负温度系数热敏电阻〔NTC跟一分压电阻串联的结构。器件的实际温度是用数字温度传感器DS18B20测量,并且把即时温度显示在控制面板的LCD上。TEC的驱动使用两片FDW2520C管构成的H桥电路。在方案二中,系统可以分为以下三部分：1.控制面板部分；2.ADN8830控制部分；3.功率驱动H桥电路。方案二的系统组成框架如图2.3所示。下面分别对每个部分进行说明。图2.3方案二系统组成框架图1.控制面板控制面板以单片机MSP430为控制核心,包括显示模块,按键模块,DAC模块,测温模块。控制面板主要负责按键设定目标温度通过DAC发送电压信号给ADN8830,并且通过温度传感器监控即时的温度。用户可以在控制面板的液晶屏上很直观的进行温度设定,并且观察机壳表面实际温度值。2.ADN8830控制电路ADN8830控制电路的结构框架如图2.4所示。图2.4ADN8830控制电路的结构框架主要由以下几个部分组成：<1>高精度、低温漂的温度信号测量误差放大器<2>补偿放大器<3>参考电源发生器<4>振荡器<5>PWM<脉宽调制>控制器<6>MOSFET<场效应管>驱动器。ADN8830利用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器,将被控环境的温度信号转化为电压信号,并将此温度电压信号输入到温度测量放大器进行放大。然后与设定的目标温度电压值进行比较产生误差信号。此误差信号经过补偿放大器进行积分放大后传到脉宽调制线性放大器进一步放大,然后输出两组信号推动温度控制的执行驱动器如功率管。由功率管输出的电流促使TEC进行制热或制冷。使被控制的环境温度向目标温度值靠近。传感器再实时地将感应到的环境温度信号传递给温度信号放大器,如此形成一个闭环控回路。此过程是周而复始,不间断地进行着。当被控环境的温度离目标温度较远时,控制器以最大输出电压方式工作,此最大输出电压由VLIM引脚来设定；当接近目标温度时,驱动功率管的信号采用PWM<脉宽调制>方式调节,从而调节加在TEC两端的电压,使TEC的制冷或制热功率适应环境温度的变化而变换,促使被控环境温度逐渐逼近目标温度。3.功率驱动H桥模块功率驱动H桥模块的电路中,采用MOSFET功率管H桥输出驱动替代常用的线性调整功率管驱动,这是降低功耗的关键部分。由于采用低导通电阻的MOSFET功率管,输出驱动消耗在驱动器上的无用功耗就大大减少。H桥同时控制TEC电流的方向和大小。当目标物体的温度低于设定点温度时,H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流；当目标物体的温度高于设定点温度时,H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。方案对比与选择方案一的优点是硬件电路组成简单,只需要由热敏电阻、放大电路、ADC组成的温度采集电路与H桥功率驱动电路即可完成整个硬件设计。方案一的缺点是软件PID算法实现复杂,需要一个精确的温度采集电路。同时单片机需要不停的根据采集回来的温度计算输出相应PWM,占用比较多单片机资源。在激光器中单片机可能还需要实现对LD的功率频率的调制控制,所以温控系统最好能硬件独立完成调节控制。方案二的优点是温度控制反馈调节部分采用ADI公司的ADN8830TEC控制芯片,能精确实现温度的调节控制。ADN8830芯片是一种具有高输出效率的开关模式的单芯片TEC控制器,但与PWM驱动开关输出的TEC控制器结构采用完全对称的H桥不同的是,ADN8830采用一半开关输出,一半线性输出的方式。种包含线性和开关输出方式的专利技术可以减少一半的输出电流纹波,也可以减少一些外围器件,同时还可以提高效率。相比方案一,方案二电路稍微复杂,但是对单片机资源暂用很少,软件编程也容易实现。综上所述,从实际应用出发,为了能精确实现温度的调节控制,最终选择方案二。2.3系统方案设计经过2.2节系统方案论证与对比,最终确定选择方案二实现系统设计,系统总体结构框图如图2.5所示。系统设计包括硬件设计和软件设计,系统硬件又可以划分为三个部分：a.控制面板部分；b.ADN8830控制部分；c.功率驱动H桥电路。系统软件设计主要指主控制器单片机的软件设计。图2.5系统总体结构框图控制面板部分的控制核心为MSP430F149单片机,外扩显示器12864LCD,独立按键,温度传感器DS18B20,数模转换器DAC8571。用户可以通过控制面板上的键盘设置目标温度,再由单片机通过DAC8571向ADN8830的TEMPSET脚发送一个对应的电压信号。DS18B20用以监控被控温器件表面温度。TEC<ThermoElectricCooler>是用两种不同半导体材料<P型和N型>组成PN结,当PN结中有直流电通过时,由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热或放热效应<帕尔帖效应>,就会使PN结表现出制冷或制热效果,改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热,调节电流大小即可控制制热制冷量输出。利用TEC稳定目标温度的方法如图2.6所示。图2.6TEC控制原理图2.6中,TEC上方是温度传感器与目标器件。这个传感器是用来测量安放在TEC端的目标物体的温度。期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示,与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较,然后产生误差电压。这个电压通过高增益的放大器放大,同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿,然后再驱动H桥输出,H桥同时控制TEC电流的方向和大小。当目标物体的温度低于设定点温度时,H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流;当目标物体的温度高于设定点温度时,H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。当控制环路达到平衡时,TEC的电流方向和幅值就调整好了,目标物体温度也等于设定的温度。在该设计中,对于TEC的控制选用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率、高性能的TEC功率驱动模块之一,用于设定和稳定TEC的温度,在典型应用中,最大温漂电压低于250mV,能够使目标温度误差低于±0.01℃。每个加载在ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对需要控温器件供热或制冷。需要空温器件的温度由负温度系数热敏电阻来测量并反馈给ADN8830,用于调整系统回路和驱动TECADN8830可以驱动用来给TEC提供电流的外部MOS管。H桥驱动电路可以由2片FDW2520C芯片组成。每片FDW2520C芯片集成了一个N沟道和一个P沟道的MOSFET开关管。在需要控温的物体表面紧贴温度传感器DS18B20,传感器测得的温度在12864LCD上显示出来,达到监控目标温度的目的。温度监控及温度设定操作界面如图2.7所示。图2.7温度监控及设定温度操作界面在对主控制器单片机的软件进行详细设计前,首先要确定软件主程序的执行流程,如图2.8所示。图2.8主程序流程图第三章系统硬件设计3.1引言本章介绍了系统硬件各个组成部分的设计,包括系统电源、单片机最小系统、单片机外围电路、ADN8830及其外围电路、H桥电路的设计。3.2系统电源设计整个系统的电源部分是使用一个5V/5A的开关电源,接入系统后进一步进行滤波与电平转换等处理。系统中单片机MSP430部分是3.3V供电,其它部分都是5V供电。所以需要电平转换,使用SPX1117稳压芯片把5V电源转换成3.3V。其电路结构如图3.1所示。图3.15V/3.3V电平转换电路原理图ADN8830、DAC8571及TEC驱动是5V供电,两款IC都是需要一个稳定的电源才能正常工作,并且电源的稳定性直接影响到控温的精度。所以需要对开关电源的输出进一步进行消除电压纹波的处理。具体电路设计如图3.2所示。图3.2电源滤波处理电路3.3单片机及其外围电路设计单片机及其外围电路包括单片机的最小系统、液晶显示LCD12864、独立按键、温度传感器DS18B20如图3.3所示。图3.3单片机及其外围电路组成框架下面对单片机及其外围电路的各部分设计进行详细介绍。单片机MSP430F149及其最小系统的设计单片机采用的是MSP430F149,这是一款TI公司生产的MSP430系列16位单片机。片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器。MSP430F149有三个时钟源,两个时钟源是外部提供,一个内部时钟源。分别为LFXT1CLK:低频/高频时钟源,由外接晶体振荡器,而无需外接两个振荡电容器；XT2CLK:高频时钟源,由外接晶体振荡器,需要外接两个振荡电容器；DCOCLK:数字可控制的RC振荡器,是集成在单片机内部无需外接。所以其外部时钟电路有两个晶振,分别选择32.768KHz与8MHz。最小系统由复位电路、外部时钟电路与单片机组成,其具体电路设计如图3.4。图3.4单片机最小系统液晶显示器LCD12864的设计显示模块采用的是LCD12864。FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。通信可以选择并口方式,也可以选择串口方式,MSP430有丰富的IO口资源,所以这里选择并口方式。并口方式的接口说明如表3.1所示。表3.1LCD12864并口通信接口说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1GND0V电源地2VCC3.0+5V电源正3VL-对比度〔亮度调整4RS<CSH/LRS="H",表示DB7——DB0为显示数据RS="L",表示DB7——DB0为显示指令数据5R/W<SID>H/LR/W="H",E="H",数据被读到DB7——DB0R/W="L",E="H→L",DB7——DB0的数据被写到IR或DR6EN<SCLK>H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15CS1H/LH：8位或4位并口方式,L：串口方式16CS2空脚17RESETH/L复位端,低电平有效18VEE-LCD驱动电压输出端19BL+VDD背光源正端〔+5V20BL-VSS背光源负端LCD12864与MSP430F149单片机的接口设计：控制脚RS、RW、EN、分别与P63、P64、P65连接,并行数据口与P2口相连接,原理图如图3.5所示。图3.5LCD12864与单片机的接口电路独立式按键的设计为了简化操作,系统只需要使用3个按键即可完成对温度的设定与对模数转换芯片DAC8571的控制。采用了3个独立式按键,分别是K1、K2、K3。他们功能分别为：K1控制光标的上下移动；K2控制光标的左右移动；K3为功能键。当光标位置停留在温度设定的某一位数字下时,按下功能键能让数字增一,当光标位置停留在"发送确定"栏时,按下功能键,系统将对DAC8571进行通信,把设定温度对应的数值,转换的电压数据发送给DAC,DAC的输出电压跟着改变。独立按键的接口设计：K1、K2、K3分别与单片机的P35、P34、P33相连,并且都需要分别连接一上拉电阻,具体电路如图3.6所示。图3.6独立按键的接口电路测温电路的设计为了验证系统的运行效果,需要对控温部件表面温度进行精确的即时监控。本系统设计目标精度为0.5℃,数字温度传感器DS18B20的测量精度为0.5℃,分辨率为DSl8B20数字温度计提供9与12位<二进制>温度读数,指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出,因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线<和地线>。DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号,因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl8B20的测量范围从-55到+125,增量值为0.5℃,可在ls<典型值>内把温度变换成数字。每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号,该序号值存放在DSl8B20内部的ROM<只读存贮器>中。开始8位是产品类型编码<DSl8B20编码均为10H>,接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC<循环冗余校验>码。DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM,编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号,如果采用12位温度读数,温度为负<℃>,则1号存贮器高5位全为1,否则全为0。1号低3位与0号存贮器用于存放温度值的补码,LSB<最低位>的1表示0.0625℃。将存贮器中的二进制数求补,再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值<-550——1每只DS18B20都可以设置成两种供电方式,即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式,可以节省一根导线,但完成温度测量的时间较长。采取外部供电方式,则多用一根导线,但测量速度较快。DS18B20与单片机的接口电路设计如图3.7所示。图3.7DS18B20接口电路3.4ADN8830及其外围电路设计ADN8830外围电路由温度采集电路、DAC温度设定电路、PID补偿网络、频率控制网络4部分组成。ADN8830内部结构主要由以下几部分组成：1.高精度、低温漂的温度信号测量误差放大器2.补偿放大器3.参考电源发生器4.振荡器5.PWM控制器6.MOSFET驱动器ADN8830内部结构及其外部电路的结构如图3.8所示。图3.8ADN8830外围电路及其内部组成结构框架DN8830芯片介绍ADI公司的ADN8830芯片是一种具有高输出效率的开关模式的单芯片TEC控制器,但与PWM驱动开关输出的TEC控制器结构采用完全对称的H桥不同的是,ADN8830采用一半开关输出,一半线性输出的方式。这种包含线性和开关级输出方式的专利技术可以减少一半的输出电流纹波,也可以减少一些外围器件,同时还可以提高效率。当器件工作在大信号方式时,线性输出级会工作在开关模式,根据TEC是工作在加热还是制冷方式,输出会饱和在某个电源电压轨上。在小信号工作方式下,线性模式输出级会工作在线性模式,从而为TEC在加热和制冷方式间提供平滑的过渡。ADN8830的原理框图如图3.8所示。它是一个闭环控制系统,通过负温度系数〔NTC热敏电阻检测需要控温器件的温度并将其转换为电压值,与来自于DAC的模拟输入温度设置电压进行比较,产生一个误差信号经由PWM控制器驱动TEC来稳定需要控温器件的温度。系统的反馈环路通过高稳定性,低噪声的PID〔比例-积分-微分补偿网络构成,通过调整PID参数可以改变系统响应特性。网络器件参数可以根据实际应用场合计算出来。输出电压用来监控发热部件温度和通过TEC的电压,同时提供一个2.5V的参考电压。ADN8830单芯片TEC控制器的主要优点：1.控制精度高。采用高精度误差放大器作为输入级,它具有自校正、自稳零、低飘移的特性,最大温漂电压低于250mV,在典型应用中,使目标温度误差低于±0.01℃2.系统功耗低,采用MOSFET开关管,导通时电阻很小,大大降低系统功耗；3.集成度高,它采用5mm×5mm的32脚LFCSP封装,所有的控制器件都集成到一片芯片中。温度采集与温度设定电路设计ADN8830单芯片TEC控制器为完成控制,需要在THERMIN〔pin2输入一个与被控温器件当前温度相对应的电压信号,在THERMSET<pin4>脚输入一个与设定温度相对应的电压信号。下面介绍接入这两个引脚的温度采集电路与温度设定电路。1.温度采集电路的设计热电偶和热敏电阻是常用的两种温度敏感元件,热敏电阻在灵敏度、线性度等方面均优于热电偶。设计电路采用10KΩ负温度系数〔NTC热敏电阻作为温度传感器,其阻值随着温度的升高而减小。20℃—40℃表3.2热敏电阻温度与阻值对应关系表T<℃>R<KΩ>T<℃>R<KΩ>T<℃>R<KΩ>20.012.492227.09.164234.06.802620.512.213827.58.967734.56.662221.011.942528.08.776035.06.525121.511.677828.58.588935.56.391222.011.419829.08.406336.06.260422.511.168129.58.228136.56.132623.010.922730.08.054137.06.007723.510.683430.57.884237.55.885824.010.449931.07.718438.05.766624.510.222231.57.556538.55.650125.010.000032.07.398539.05.536325.59.783332.57.244239.55.425126.09.571833.07.093540.05.316426.59.365533.56.9463ADN8830集成了一个精密的参考电压发生器,在VREF脚会输出一个稳定的2.5V参考电压。所以温度采集电路直接接在该引脚上,负温度系数热敏电阻〔NTC与一个7.68KΩ的精密电阻串联,构成一分压结构。具体电路结构如图3.9所示〔P2为热敏电阻NTC的插座。图3.9温度采集电路2.温度设定电路温度的设定采用一高精度低功耗的16位数模转换器DAC8571送给ADN8830的TEMPSET脚一个与设定温度值对应的电压信号。DAC8571采用I2C通信,设计中采用IO口模拟I2C通信,SDA串行数据输入/输出脚、SCL串行时钟输入脚分别与单片机的P33、P35相连。DAC电源采用5V供电,用一个10uF与一个104电容做简单滤波。A0地址脚接地。VREF接到ADN8830的2.5V基准电源输出脚VREF〔pin7脚。电压输出脚VOUT与ADN8830的温度设定脚TEMPSET脚相连接,用以设定目标温度。具体的温度设定电路如图3.10所示。图3.10温度设定电路当温度采集电路中得到的电压信号,即接到ADN8830温度电压信号输入脚TEMPIN的电压信号与温度设定脚TEMPSET的输入电压值相等时,误差放大器的输出为零,此时目标温度就已经达到了设定的温度。判断ADN8830的5脚〔TEMPLOCK的逻辑输出就可以判断目标温度是否已经达到。当达到目标温度时,输出高电平,发光二极管D1发光。电路如图3.9温度采集电路所示。所以,每个设定的温度值对应一个DAC的输出电压。该电压值等于在该设定温度下,温度采集电路中NTC分压得到的电压值。因为采用的DAC是16位DAC所以得发送给DAC的数据D的计算公式：D=<R/<R+7.68>>*65536。设定温度值与NTC阻值、DAC输出电压值、发送给DAC数据D的对应关系表如表3.3所示。表3.3设定温度值与DAC电压值对应关系表公式：D=<R/<R+7.68>>*65536Vref=2.5V温度〔℃NTC阻值〔ΩD16位转换DAC电压值〔V25103706790CB1.413925.59.7833367148F1.4005269.5718363618E091.387126.59.3655360088CA81.3736279.1642356558B471.360127.58.96773530289E61.3467288.7763495088861.333228.58.58893459887261.3198298.40633424785C71.306429.58.22813389784691.2931308.054133547830B1.279730.57.88423319881AE1.2664317.71843284980511.253131.57.5565325027EF61.2399327.3985321567D9C1.226732.57.2442318117C431.2135337.0935314677AEB1.200433.56.94633112479941.1873346.802630782783E1.174234.56.66223044276EA1.1613356.52513010375971.148335.56.39122976674461.1355366.26042943172F71.122736.5691.1099376.007728764705C1.097337.55.8858284346F121.0847385.7666281056DC91.072138.55.6501277786C821.0597395.536327452683C1.047239.55.42512712969F91.0349405.31642680868B81.0226选频网络设计选频网络就是设置PWM开关的工作频率。当电路工作于开关模式时,可以提高电源的利用率。开关频率越大,纹波滤波器的设计就可以选择体积越小的电感和电容,便于控制器小型化设计。但是H桥MOSFET功率管的开关损耗是随着频率的增加而增加。如图3.11所示,N2A和N2B两管工作于开关状态,N3A和N3B工作于固定的导通或截止状态。因此,工作时N2A和N2B的结电容被反复地充电和放电,其消耗的能量可简单用下式表达。 <3.1>由式<3.1>可知,PWM开关工作频率越高,则MOS管上消耗的无用功越多。综合考虑LC滤波效果和减少无用功,本设计将PWM开关工作频率选择1MHz左右。ADN8830具有内置振荡器,使得PWM开关工作频率设置比较方便,只要在P26脚与地之间串联一电阻RfCLK即可。电阻值根据选择的PWM开关工作频率和式<3.2>进行计算而得。 <3.2>其中fCLK单位为Hz,在设计中考虑到TEC的特性与H桥中的滤波网络设计,取fCLK=1MHz。一般情况下,一个4.7μF的电感L1、一个22μF的电容C2和1MHz的转换频率就可以保证通过TEC的最差电压波动低于±0.5%。而H桥的另一侧不需要附加电路。所以RfCLK取150kΩ。开关频率与电阻RFCLK的关系如表3.4所示。表3.4频率与电阻的关系表开关频率fCLK电阻RfCLK100KHz1.5MΩ250KHz600KΩ500KHz300KΩ750KHz200KΩ1MHz150KΩID补偿网络设计PID补偿电路是温度控制环路中的关键环节,是实现高精度控制的重要保障。PID的数学模型为： <3.3>式3.3中,Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。最简单的PID补偿电路仅有比例部分,比例反映偏差信号。偏差一旦产生,控制器立即作用,使被控变量朝着减小误差的方向变化。比例系数Kp决定控制作用的强弱,Kp适当增大时,系统动作灵敏,速度加快,但Kp过大会导致动态性能变坏,甚至使闭环系统变得不稳定。引入积分控制能后可记忆并积分偏差,很小的偏差也会积累并进行相应的控制,但是积分作用总是滞后于偏差,导致系统易于振荡,被控变量波动很大。微分控制对误差进行微分,对误差的变化趋势反应敏感,能够加快系统响应,减小调节时间,增加系统的稳定性,其缺点是对干扰敏感。对PID补偿电路的3个参数进行合理选取,以便达到最佳的综合控制效果。ADN8830TEC控制器采用外部补偿网络,仅需要几个电阻和电容,如图3.11所示。不同的应用设计者可以根据自己的热负载特性来调整补偿网络,从而达到最佳的温度设定时间和稳定性容限,但补偿网络的转换周期对控制系统的稳定性影响较大。为了确保温度控制的稳定性,补偿网络的转换周期必须小于TEC和温度传感器的热时间常数。但是TEC和温度传感器的热时间常数是一个难以描述的因素,无法通过计算方式来设计网络参数。针对图3.11的PID网络通常可以通过以下调试步骤来优化参数:<1>将电容C9短路、C11开路,仅只留下电阻R6和R5构成一简单的补偿比例网络；<2>增加电阻R6和R5的比例,从而增加增益直至TEC两端的电压开始出现振荡,然后将R6和R5的比例缩小至原来的1/2；<3>将电容C9串接到补偿网络,并减小该电容的值直至TEC两端的电压开始出现振荡,然后将电容C9的值增加1倍；<4>短路电阻R7并加入电容C11使TEC两端的电压开始出现振荡,这时可以减小电容C11或者重新接入电阻R7使TEC两端的电压稳定；<5>改变TEMPSET的电压值来调节TEC两端的电压稳定时间,TEMPSET的变化约在100mV,然后减小电容C11,C9和电阻R7从而减小稳定时间,但是会造成输出电压过充；<6>添加与R6和C9并联的反馈电容C10,反馈电容C10在不增加稳定时间的前提下能够提高系统的稳定性。一般330pF～1nF的电容比较合适。图3.11PID调节网络参数整定本设计的温度控制电路利用图3.11的PID网络结构实验调试后,取C9=22uF,C10=330pF,C11=1uF,R7=1M,R5=1M,R6=100K时,系统从环境温度改变到目标温度的建立时间在10s以内,精度可达0.5℃图3.12系统PID调节网络电路图其他外围电路设计1.设置加在TEC上的最大电压VTECMAX的设定通过设置P15引脚的VLIM电压可以设置加在TEC两端电压的最大值。VTECMAX的值和VLIM的关系通过式3.4和图3.11确定。〔3.4设计要求TEC上所加电压最大为5V,根据式3.4计算,则VLIM值应为0V。P15引脚端接地即可。为了保证ADN8830对施加在TEC上的电压进行实时检测,H桥的电感滤波输出端<VA>应与ADN8830的P19脚相连,H桥的另一个输出点<VB>应与ADN8830的第9脚相连。图3.13TEC两端电压最大值与P15脚的电压关系2.一些测试点的设计与说明具有温度锁定指示功能,当热敏电阻检测到的温度达到设定温度时,ADN8830的管脚5<TEMPLOCK>输出高电平,表示非制冷红外焦平面的工作温度已达设定温度,此时发光二极管D1发光。若环境温度太高或太低超出了设定0.1℃范围TEC控制器温度锁定指示为0当管脚1<THERMFAULT>输出高电平时,表示电路工作异常,发光二极管D2被点亮。3.5功率驱动H桥模块的设计电路中采用MOSFET功率管H桥输出驱动替代常用的线性调整功率管驱动,这是降低功耗的关键部分。由于采用低导通电阻的MOSFET功率管,输出驱动消耗在驱动器上的无用功耗就大大减少。同时,采用H桥可以在不增加负电源的情况下,灵活地调整加在TEC上的电流极性,使TEC工作于制冷状态还是制热状态。如图3.14所示,TEC制冷器放置在H桥的中间,当N2A开关管有效导通、N2B开关管有效关闭、N3B常通、N3A常闭时,电流从TEC的/+0端经TEC流向/-0端；当N2A开关管有效关闭、N2B开关管有效导通、N3B常闭、N3A常通时,电流从TEC的/-0端经TEC流向/+0端。H桥的结构如图3.15所示。图3.14H桥结构图设计时,为了提高电源效率、扩展散热渠道以及使用灵活性和保护ADN8830,控制器ADN8830采用外接MOSFET功率管H桥。ADN8830可以驱动用来给TEC提供电流的外部MOS管,MOS管选用由ADI公司配套提供的FDW2520C芯片。每片FDW2520C芯片集成了一个N沟道和一个P沟道的MOSFET开关管。电路工作与PWM控制模式中,输出驱动为开关脉动电流,必需采用电感和电容对施加在TEC两端的开关脉冲电流进行滤波,保证TEC安全可靠工作。其中电感的选择受到通过电感的额定电流、滤波输出的纹波系数、PWM开关频率几个因素限制。通过电感上的电流如图3.15所示:ITEC为通过TEC上的电流,VIL为通过电感上的纹波电流。设VOUT为施加在TEC两端的电压,VCC为工作电源电压,PWM输出最大占空因素为D,通过电感上的纹波电流为VIL,则: <3.5>图3.15通过电感的电流TEC上的电流为1A,若允许电流波动为±0.3A,则ΔIL为0.6A,也即通过电感的电流最大为1.3A。由式<3.5>式可知,若选择的电感量越大,则通过电感上的纹波电流越小,另外选择电感的额定电流由ITEC和纹波电流决定。除了这些电参数决定了电感的选择之外,控制器的体积大小也决定选择什么样的电感。综合考虑电路的体积、电感制造工艺、功耗等因素,本设计选择电感量为4.7LH、额定电流为1.8A的微型片式电感,其直流电阻小于70mΩ。根据式<3.5>计算,若ΔIL允许为0.6A,电感为4.7LH时,fCLK应大于425kHz。为了保证TEC能够具有合理的建立时间,滤波电路中电感和电容回路的阻尼因素必须大于0.05。阻尼因素可以简单由式〔3.6确定。<3.6>通过对式〔3.6分析可知,C4越小,阻尼系数越大。但是C4越小,输出纹波电压越大。综合考虑实际电容尺寸大小,和控制器电路整体体积大小,C4选择22uF,RTEC<TEC的实际等效电阻>为2.58Ω,则阻尼系数为0.092,可以保证TEC建立时间的合理性。设计中H桥功率驱动电路如图3.16所示。图3.16H桥功率驱动电路第四章软件设计4.1引言本章主要介绍各部分程序的设计,内容包括程序功能、流程、时序的说明及重要代码等。完整程序清单见附录。4.2设计调试环境及工具使用单片机为TI公司的16位MSP430F149单片机,调试环境为IAREmbeddedWorkbench5.30。调试环境如图4.1所示。IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年,提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段,包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境<IDE>、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。它最著名的产品是C编译器-IAREmbeddedWorkbench,支持众多知名半导体公司的微处理器。许多全球著名的公司都在使用IARSYSTEMS提供的开发工具,用以开发他们的前沿产品,从消费电子、工业控制、汽车应用、医疗、航空航天到手机应用系统。MSP430FLASH系列单片机支持在线仿真调试,这给软件调试带来了很大方便。图4.1软件调试环境IAREmbeddedWorkbench5.304.3主程序的设计1.程序流程图：见图2.82.程序功能：主程序,包括初始化,各个系统功能模块的循环流程控制,光标控制3.源代码：/*******************************************函数名称：voidmain〔功能：主函数参数：无返回值：无********************************************/#include<msp430x14x.h>#include"12864.h"#include"Initial_Clock.h"#include"time_display.h"#include"key_check.h"#include"key_display.h"#include"display.h"#include"DS18B20.h"#include"IIC.h"externucharkey_value;externucharkey_flag;externucharsecond,minute,hour,hour0;externuintdN_1[3];ucharDAC_1,DAC_2;//写到DAC的电压数据DAC_1高8位ucharTemp_1;//设定温度的正负,0正1负ucharredraw;//刷屏标志uintposition_x;//光标坐标变量uintposition_y;ucharcolum_6[]="已用时：";ucharcolum_7[]="即时温度:0.00℃ucharcolum_8[]="设定温度>+0.00℃ucharcolum_9[]="send确定";ucharcolum_12[]="send确定^";ucharcolum_13[]="send确定^";ucharcolum_14[]="send确定^";ucharcolum_15[]="send>确定";ucharcolum_16[]=">sending...";ucharcolum_17[]="sendsucceed";ucharcolum_1[]="覃仕明";ucharcolum_2[]="XX工业大学";ucharcolum_3[]="电气与电子工程";ucharcolum_4[]="090311班";voidmain<>{ucharskip;//光标处理变量WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗P6DIR|=BIT2;P6OUT|=BIT2;//关闭电平转换/***************初始化********************/P2DIR=0XFF;P2OUT=0XFF;P6DIR=0XFF;P6OUT=0XFF;Initial_Clock<>;//初始化时钟Initial_key<>;//初始化键盘set_timerA<>;//开启定时ATBCTL=TBSSEL_2;//TimerB,SMCLK,upmode,1MHzTBCTL|=TBCLR;Ini_Lcd<>;//初始化液晶屏redraw=0;key_flag=0;position_y=1;position_x=0;Temp_1=0;/*********开机画面*********************/while<!Write_DAC<0x8f,0x6a>>;Write_Str<0x80,&colum_1[0]>;Write_Str<0x90,&colum_2[0]>;Write_Str<0x88,&colum_3[0]>;Write_Str<0x98,&colum_4[0]>;Initial_key<>;while<!key_flag>//按任意键跳出循环key_check<>;/**********进入操作界面****************/Write_Str<0x80,&colum_6[0]>;Write_Str<0x90,&colum_7[0]>;Write_Str<0x88,&colum_8[0]>;Write_Str<0x98,&colum_9[0]>;Dis_time<>;//显示时间while<1>{Dis_Numb<Do1Convert<>>;if<redraw>{Dis_time<>;dis_temper<>;dis_temper_set<>;redraw=0;}Initial_key<>;key_check<>;skip=0;if<position_x==0>{switch<position_y>{case1:{switch<key_value>{case1:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2d>;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2b>;}Write_Str<0x98,&colum_15[0]>;position_y=2;}break;case2:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2d>;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2b>;}Write_Str<0x98,&colum_12[0]>;position_y=0;position_x=1;skip=1;}break;case3:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x3e>;Write_Data<0x2b>;Temp_1=0;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x3e>;Write_Data<0x2d>;Temp_1=1;}}break;default:break;}}break;case2:{switch<key_value>{case1: