基于adn8830及msp430的tec温度控制电路的学位论文Word文件下载.docx
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1.3半导体制冷技术的国内外发展7
1.4论文主要研究内容及章节分布8
第二章系统方案设计9
2.1系统设计要求9
2.2系统方案设计9
2.2.1设计方案一9
2.2.2设计方案二11
2.2.3方案对比与选择12
2.3系统方案设计13
第三章系统硬件设计16
3.1引言16
3.2系统电源设计16
3.3单片机及其外围电路设计17
3.3.1单片机MSP430F149及其最小系统的设计17
3.3.2液晶显示器LCD12864的设计18
3.3.3独立式按键的设计20
3.3.4测温电路的设计20
3.4ADN8830及其外围电路设计21
3.4.1ADN8830芯片介绍22
3.4.2温度采集与温度设定电路设计23
3.4.3选频网络设计26
3.4.4PID补偿网络设计27
3.4.5其他外围电路设计29
3.5功率驱动H桥模块的设计29
第四章软件设计32
4.1引言32
4.2设计调试环境及工具32
4.3主程序的设计33
4.4LCD12864显示子程序的设计40
4.5时间显示子程序的设计42
4.6按键子程序的设计44
4.7DS18B20子程序的设计45
4.8DAC8571子程序的设计48
第五章实验与验证51
5.1引言51
5.2硬件调试52
5.2.1电源电压稳定性纹波特性测试52
5.2.2DAC输出精度测试52
5.2.3H桥输出纹波测试52
5.2.4满功率工作时通过TEC的平均电流，及TEC两端的电压。
52
5.2.5温度与DAC输出电压关系的标定52
5.2.6TEC的安装及散热条件测试52
5.3软件调试53
5.3.1LCD12864显示实验：
53
5.3.2时间显示程序实验53
5.3.3按键调试实验54
5.3.4DS18B20温度采集调试实验54
5.3.5温度设置功能调试实验55
5.3.6DAC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）
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℃以内时，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。
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。
2.2.2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。
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。
2.2.3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
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