基于ADN8830与MSP430的TEC温度控制电路的设计说明文档格式.docx
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温度控制;
MSP430;
PID
ApplicationofADN8830inAutomaticTemperatureControlofTEC
Abstract
AThermo-ElectricCooler（TEC）controlcircuitofhighperformanceandstabilityispresented,whichisdevelopedbyathermoelectriccoolercontroller,namedADN8830,producedbyAnalogDevicesInc.AnoutsideProportionIntegralDifferential（PID）compensationnetworkconstructedbysimplecapacitancesandresistors,whichcanmakethetemperatureofdetectorreachtheoptimumoperatingpointin30sandtheprecisionofthiscontrolcircuitis0.1℃.TheMSP430microcontrollerimplementsacontrollerusingadigitaltemperaturesensorDS18B20toreadthecurrenttemperature,adigital-to-analogconverterDAC8571tooutputacontrolsignaltoADN8830whichadjuststhecurrentthroughtheTEC.Theexperimentalresultsshowthatthisschemeoftemperaturecontrolhastheadvantageofhigheffectiveness,lowpowerandcompactsize.
Keywords:
ADN8830;
TEC;
temperaturecontrol;
MSP430;
PID
第一章绪论
1.1课题研究背景与意义
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与使用寿命长的优点，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。
风扇以与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与半导体材料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）
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）
Qτ为放热或吸热功率
τ为汤姆逊系数
△T为温度梯度
1.3半导体制冷技术的国外发展
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、制冷剂与其传输管路。
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，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、工艺以与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与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，应用开发几乎涉与所有制冷领域，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论文主要研究容与章节分布
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，每章的题目与具体容如下：
第一章绪论，主要介绍了课题研究背景和研究意义，以与半导体制冷技术的国外发展现状。
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，主要介绍了单片机与其外围电路的设计，ADN8830与其外围电路的设计，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℃以时，控温收敛时间在1min左右；
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。
2.2.1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。
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