【正文】 輸入到溫度測量放大器進(jìn)行放大。然后與設(shè)定的目標(biāo)溫度電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號。此誤差信號經(jīng)過補(bǔ)償放大器進(jìn)行積分放大后傳到脈寬調(diào)制線性放大器進(jìn)一步放大，然后輸出兩組信號推動溫度控制的執(zhí)行驅(qū)動器如功率管。由功率管輸出的電流促使TEC 進(jìn)行制熱或制冷。使被控制的環(huán)境溫度向目標(biāo)溫度值靠近。傳感器再實(shí)時(shí)地將感應(yīng)到的環(huán)境溫度信號傳遞給溫度信號放大器，如此形成一個閉環(huán)控回路。此過程是周而復(fù)始，不間斷地進(jìn)行著。當(dāng)被控環(huán)境的溫度離目標(biāo)溫度較遠(yuǎn)時(shí)，控制器以最大輸出電壓方式工作，此最大輸出電壓由VLIM引腳來設(shè)定；當(dāng)接近目標(biāo)溫度時(shí)，驅(qū)動功率管的信號采用PWM (脈寬調(diào)制) 方式調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)加在TEC兩端的電壓，使TEC的制冷或制熱功率適應(yīng)環(huán)境溫度的變化而變換，促使被控環(huán)境溫度逐漸逼近目標(biāo)溫度。3. 功率驅(qū)動H橋模塊功率驅(qū)動H橋模塊的電路中，采用MOSFET功率管H橋輸出驅(qū)動替代常用的線性調(diào)整功率管驅(qū)動，這是降低功耗的關(guān)鍵部分。由于采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET功率管，輸出驅(qū)動消耗在驅(qū)動器上的無用功耗就大大減少。H橋同時(shí)控制TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標(biāo)物體的溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動電流；當(dāng)目標(biāo)物體的溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋會減少TEC的電流甚至反轉(zhuǎn)TEC的電流方向來降低目標(biāo)物體溫度。 方案對比與選擇方案一的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路組成簡單，只需要由熱敏電阻、放大電路、ADC組成的溫度采集電路與H橋功率驅(qū)動電路即可完成整個硬件設(shè)計(jì)。方案一的缺點(diǎn)是軟件PID算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要一個精確的溫度采集電路。同時(shí)單片機(jī)需要不停的根據(jù)采集回來的溫度計(jì)算輸出相應(yīng)PWM，占用比較多單片機(jī)資源。在激光器中單片機(jī)可能還需要實(shí)現(xiàn)對LD的功率頻率的調(diào)制控制，所以溫控系統(tǒng)最好能硬件獨(dú)立完成調(diào)節(jié)控制。方案二的優(yōu)點(diǎn)是溫度控制反饋調(diào)節(jié)部分采用ADI 公司的ADN8830TEC控制芯片，能精確實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)控制。ADN8830 芯片是一種具有高輸出效率的開關(guān)模式的單芯片TEC 控制器，但與PWM驅(qū)動開關(guān)輸出的TEC 控制器結(jié)構(gòu)采用完全對稱的H橋不同的是，ADN8830 采用一半開關(guān)輸出，一半線性輸出的方式。種包含線性和開關(guān)輸出方式的專利技術(shù)可以減少一半的輸出電流紋波，也可以減少一些外圍器件，同時(shí)還可以提高效率。相比方案一，方案二電路稍微復(fù)雜，但是對單片機(jī)資源暫用很少，軟件編程也容易實(shí)現(xiàn)。綜上所述，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，為了能精確實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)控制，最終選擇方案二。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，最終確定選擇方案二實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件又可以劃分為三個部分：；；。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要指主控制器單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖控制面板部分的控制核心為MSP430F149單片機(jī)，外擴(kuò)顯示器12864LCD，獨(dú)立按鍵，溫度傳感器DS18B20，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8571。用戶可以通過控制面板上的鍵盤設(shè)置目標(biāo)溫度，再由單片機(jī)通過DAC8571向ADN8830的TEMPSET腳發(fā)送一個對應(yīng)的電壓信號。DS18B20用以監(jiān)控被控溫器件表面溫度。TEC(Thermo Electric Cooler)是用兩種不同半導(dǎo)體材料(P型和N型)組成PN 結(jié), 當(dāng)PN結(jié)中有直流電通過時(shí), 由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動過程中的吸熱或放熱效應(yīng)(帕爾帖效應(yīng)),就會使PN結(jié)表現(xiàn)出制冷或制熱效果, 改變電流方向即可實(shí)現(xiàn)TEC的制冷或制熱,調(diào)節(jié)電流大小即可控制制熱制冷量輸出。 TEC控制原理，TEC上方是溫度傳感器與目標(biāo)器件。這個傳感器是用來測量安放在TEC端的目標(biāo)物體的溫度。期望的目標(biāo)物體溫度是用一個設(shè)定點(diǎn)電壓來表示, 與溫度傳感器產(chǎn)生的代表實(shí)際目標(biāo)物體溫度的電壓通過高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行比較, 然后產(chǎn)生誤差電壓。這個電壓通過高增益的放大器放大, 同時(shí)也對因?yàn)槟繕?biāo)物體的冷熱端引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償, 然后再驅(qū)動H橋輸出, H橋同時(shí)控制TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標(biāo)物體的溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí), H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動電流。 當(dāng)目標(biāo)物體的溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí), H橋會減少TEC的電流甚至反轉(zhuǎn)TEC的電流方向來降低目標(biāo)物體溫度。當(dāng)控制環(huán)路達(dá)到平衡時(shí)，TEC的電流方向和幅值就調(diào)整好了, 目標(biāo)物體溫度也等于設(shè)定的溫度。在該設(shè)計(jì)中，對于TEC的控制選用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最優(yōu)秀的單芯片高集成度、高輸出效率、高性能的TEC功率驅(qū)動模塊之一, 用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度, 在典型應(yīng)用中,最大溫漂電壓低于250mV, 能夠使目標(biāo)溫度誤差低于177。℃。每個加載在ADN8830 輸入端的電壓對應(yīng)一個目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對需要控溫器件供熱或制冷。需要空溫器件的溫度由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830, 用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動TEC工作。ADN8830可以驅(qū)動用來給TEC提供電流的外部MOS管。H橋驅(qū)動電路可以由2片F(xiàn)DW2520C芯片組成。每片F(xiàn)DW2520C芯片集成了一個N溝道和一個P溝道的MOSFET 開關(guān)管。在需要控溫的物體表面緊貼溫度傳感器DS18B20，傳感器測得的溫度在12864LCD上顯示出來，達(dá)到監(jiān)控目標(biāo)溫度的目的。 溫度監(jiān)控及設(shè)定溫度操作界面 在對主控制器單片機(jī)的軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)前，首先要確定軟件主程序的執(zhí)行流程。 主程序流程圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 引言本章介紹了系統(tǒng)硬件各個組成部分的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)、單片機(jī)外圍電路、ADN8830及其外圍電路、H橋電路的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)整個系統(tǒng)的電源部分是使用一個5V/5A的開關(guān)電源，接入系統(tǒng)后進(jìn)一步進(jìn)行濾波與電平轉(zhuǎn)換等處理。，其它部分都是5V供電。所以需要電平轉(zhuǎn)換。 5V/ADN88DAC8571及TEC驅(qū)動是5V供電，兩款I(lǐng)C都是需要一個穩(wěn)定的電源才能正常工作，并且電源的穩(wěn)定性直接影響到控溫的精度。所以需要對開關(guān)電源的輸出進(jìn)一步進(jìn)行消除電壓紋波的處理。 電源濾波處理電路 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)單片機(jī)及其外圍電路包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)、液晶顯示LCD1286獨(dú)立按鍵、。 單片機(jī)及其外圍電路組成框架下面對單片機(jī)及其外圍電路的各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。單片機(jī)采用的是MSP430F149，這是一款TI公司生產(chǎn)的MSP430系列16位單片機(jī)。片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時(shí)器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器。MSP430F149有三個時(shí)鐘源，兩個時(shí)鐘源是外部提供，一個內(nèi)部時(shí)鐘源。分別為LFXT1CLK: 低頻/高頻時(shí)鐘源，由外接晶體振蕩器,而無需外接兩個振蕩電容器；XT2CLK: 高頻時(shí)鐘源，由外接晶體振蕩器，需要外接兩個振蕩電容器；DCOCLK: 數(shù)字可控制的RC振蕩器，是集成在單片機(jī)內(nèi)部無需外接。所以其外部時(shí)鐘電路有兩個晶振。最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、外部時(shí)鐘電路與單片機(jī)組成。 單片機(jī)最小系統(tǒng)顯示模塊采用的是LCD12864。FYD128640402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字，和128個16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。通信可以選擇并口方式，也可以選擇串口方式，MSP430有豐富的IO口資源，所以這里選擇并口方式。 LCD12864并口通信接口說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1GND0V電源地2VCC+5V電源正3VL對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”, DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EN(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15CS1H/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16CS2空腳17RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VEELCD驅(qū)動電壓輸出端19BL+VDD背光源正端（+5V）20BLVSS背光源負(fù)端LCD12864與MSP430F149單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)：控制腳RS、RW、EN、分別與P6P6P65連接，并行數(shù)據(jù)口與P2口相連接。 LCD12864與單片機(jī)的接口電路為了簡化操作，系統(tǒng)只需要使用3個按鍵即可完成對溫度的設(shè)定與對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC8571的控制。采用了3個獨(dú)立式按鍵，分別是KKK3。他們功能分別為：K1控制光標(biāo)的上下移動；K2控制光標(biāo)的左右移動；K3為功能鍵。當(dāng)光標(biāo)位置停留在溫度設(shè)定的某一位數(shù)字下時(shí)，按下功能鍵能讓數(shù)字增一，當(dāng)光標(biāo)位置停留在“發(fā)送 確定”欄時(shí)，按下功能鍵，系統(tǒng)將對DAC8571進(jìn)行通信，把設(shè)定溫度對應(yīng)的數(shù)值，轉(zhuǎn)換的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC，DAC的輸出電壓跟著改變。獨(dú)立按鍵的接口設(shè)計(jì)：KKK3分別與單片機(jī)的P3P3P33相連，并且都需要分別連接一上拉電阻。 獨(dú)立按鍵的接口電路為了驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效果，需要對控溫部件表面溫度進(jìn)行精確的即時(shí)監(jiān)控?！妫?，℃。其精度剛好能滿足設(shè)計(jì)要求，而且輸出的信號為數(shù)字信號。為了簡化設(shè)計(jì)，對溫度測量監(jiān)控的溫度傳感器采用了DS18B20。DSl8B20數(shù)字溫度計(jì)提供9與12位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出，因此從主機(jī)CPU到DSl8B20僅需一條線(和地線)。DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因?yàn)槊恳粋€DSl8B20在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個DSl8B20可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl8B20的測量范圍從55到+125，℃，可在ls(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。每一個DSl8B20包括一個唯一的64位長的序號，該序號值存放在DSl8B20內(nèi)部的ROM(只讀存貯器)中。開始8位是產(chǎn)品類型編碼(DSl8B20編碼均為10H)，接著的48位是每個器件唯一的序號。最后8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))碼。DSl8B20中還有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM，編號為0號和1號。1號存貯器存放溫度值的符號，如果采用12位溫度讀數(shù)，溫度為負(fù)(℃)，則1號存貯器高5位全為1，否則全為0。1號低3位與0號存貯器用于存放溫度值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)℃。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以2就得到被測溫度值(550——125℃)。每只DS18B20都可以設(shè)置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式，可以節(jié)省一根導(dǎo)線，但完成溫度測量的時(shí)間較長。采取外部供電方式，則多用一根導(dǎo)線，但測量速度較快。 DS18B20接口電路ADN8830外圍電路由溫度采集電路、DAC溫度設(shè)定電路、PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、頻率控制網(wǎng)絡(luò)4部分組成。ADN8830內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：、。 ADN8830外圍電路及其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)框架ADI公司的ADN8830芯片是一種具有高輸出效率的開關(guān)模式的單芯片TEC控制器，但與PWM驅(qū)動開關(guān)輸出的TEC控制器結(jié)構(gòu)采用完全對稱的H橋不同的是，ADN8830采用一半開關(guān)輸出，一半線性輸出的方式。這種包含線性和開關(guān)級輸出方式的專利技術(shù)可以減少一半的輸出電流紋波，也可以減少一些外圍器件，同時(shí)還可以提高效率。當(dāng)器件工作在大信號方式時(shí)，線性輸出級會工作在開關(guān)模式，根據(jù)TEC是工作在加熱還是制冷方式，輸出會飽和在某個電源電壓軌上。在小信號工作方式下，線性模式輸出級會工作在線性模式，從而為TEC在加熱和制冷方式間提供平滑的過渡。 所示。它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻檢測需要控溫器件的溫度并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，與來自于DAC的模擬輸入溫度設(shè)置電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個誤差信號經(jīng)由PWM控制器驅(qū)動TEC來穩(wěn)定需要控溫器件的溫度。系統(tǒng)的反饋環(huán)路通過高穩(wěn)定性，低噪聲的PID（比例積分微分）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過調(diào)整PID參數(shù)可以改變系統(tǒng)響應(yīng)特性。網(wǎng)絡(luò)器件參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合計(jì)算出來。輸出電壓用來監(jiān)控發(fā)熱部件溫度和通過TEC的電壓。ADN8830單芯片TEC控制器的主要優(yōu)點(diǎn)：。采用高精度誤差放大器作為輸入級，它具有自校正、自穩(wěn)零、低飄移的特性，最大溫漂電壓低于250mV，在典型應(yīng)用中，使目標(biāo)溫度誤差低于177?！妫?，采用MOSFET開關(guān)管，導(dǎo)通時(shí)電阻很小，大大降低系統(tǒng)功耗；，它采用5mm5mm的32腳LFCSP封裝，所有的控制器件都集成到一片芯片中。ADN8830 單芯片TEC控制器為完成控制，需要在THERMIN（pin2）輸入一個與被控溫器件當(dāng)前溫度相對應(yīng)的電壓信號，在THERMSET(pin4)腳輸入一個與設(shè)定溫度相對應(yīng)的電壓信號。下面介紹接入這兩個引腳的溫度采集電路與溫度設(shè)定電路。熱電偶和熱敏電阻是常用的兩種溫度敏感元件，熱敏電阻在靈敏度、線性度等方面均優(yōu)于熱電偶。設(shè)計(jì)電路采用10KΩ負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻值隨著溫度的升高而減