【文章內(nèi)容簡介】 波即可滿足要求。 PID 控制 由單片機采用模糊 PID 算法 ，通過 Pvar、 Ivar、 Dvar（比例、積分、微分）三方面的結(jié)合調(diào)整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 方案一的溫度控制原理如下：本系統(tǒng)的溫度控制器的制熱 /制冷元件是 TEC。 TEC通過電流制熱 /制冷時，熱層結(jié)構(gòu)存在梯形溫差，越靠近 TEC 部分溫度越高 /低。當(dāng)目標溫度升高 /降低至設(shè)定溫度時，溫度控制器會發(fā)出信號停止制熱 /制冷。但這時靠近TEC 熱層的溫度會高于設(shè)定溫度，熱層還將會對器件進行加熱或者吸取熱量，即使溫度控制器發(fā) 出信號停止制熱 /制冷，被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升 /下降幾度，然后才開始下降 /上升。當(dāng)下降 /上升到設(shè)定溫度的下限 /上限時，溫度控制器又開始發(fā)出制熱 /制冷的信號，開始制熱 /制冷，但 TEC 要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時間，這就要視 TEC 與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定。通常開始重新制熱 /制冷時，溫度繼續(xù)下降 /上升幾度。所以，傳統(tǒng)的定點開關(guān)控制溫度會有正負誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題，使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。 增量式 PID 算法的輸出量為： ΔUn = Kp[(en(en1))+(T/Ti)en+(Td/T)((en2)*(en1)+en2)] （ ） 式中， en、 (en1)、 (en2)分別為第 n 次、 n1 次和 n2 次的偏差值， Kp、 Ti、 Td 分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)， T 為采樣周期。單片機每隔固定時間 T 將現(xiàn)場溫度與設(shè)定目標溫度的差值帶入增量式 PID 算法公式，由公式輸出量決定 PWM 方波的占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此 PWM 方波的占空比決定加熱功率?，F(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則占空比大，加熱電路的加熱功率大， 使溫度的實測值與設(shè)定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，達到自動控制的目的。 功率驅(qū)動 電路采用 H 橋電路，由單片機輸入的 PWM 控制信號 通 過對 MOS 管的開關(guān)控制達到調(diào)節(jié) TEC 功率跟電流方向的目的。 11 設(shè)計方案二 此方案 是 采用 AND8830為核心 器件來 達到調(diào)控溫度的目的。 ADN8830是一個TEC控制器，用于設(shè)定和穩(wěn)定 TEC的溫度。每個加載在 ADN8830輸入端的電壓對應(yīng)一個目標溫度設(shè)定點。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^ TEC將驅(qū)動 TEC供熱 或是制冷。器件的溫度由一個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集成了精密的輸入放大器用以準確測量目標溫度和器件實際溫度之間的差別；補償放大器用以優(yōu)化 TEC對溫度間隔的反應(yīng)和一個高輸出電流用以滿 TEC工作的電流。同時 TEC控制器能讓 TEC高效率工作以減小熱量，在達到目標溫度系統(tǒng)穩(wěn)定后應(yīng)該有相應(yīng)指示。 溫度的設(shè)定采用一個 DAC提供，用戶可以通過操作面板按鍵輸入想要設(shè)定的目標溫度。反饋給 AND8830的電壓信號是用一個負溫度系數(shù)熱敏電阻（ NTC）跟一分壓電阻串聯(lián) 的結(jié)構(gòu)。器件的實際溫度是用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20測量，并且把即時溫度顯示在控制面板的 LCD上。 TEC的驅(qū)動使用兩片 FDW2520C管構(gòu)成的 H橋電路。 在方案二中， 系統(tǒng)可以分為 以下 三部分： ； ； H橋電路 。方案二的 系統(tǒng) 組成 框架如 圖 。下面分別對每個部分進行說明。 按 按 按 按 按 按 按 按A D N 8 8 3 0 按按 按 按 按 按H 按 按 按 T E CD S 1 8 B 2 0 按按 按 按 按D A C圖 方案二系統(tǒng)組成框架圖 1. 控制面板 控制面板以單片機 MSP430 為控制核心，包括顯示模塊 ，按鍵模塊， DAC 模塊，測溫模塊?？刂泼姘逯饕撠?zé)按鍵設(shè)定目標溫度通過 DAC 發(fā)送電壓信號給ADN8830，并且通過溫度傳感器監(jiān)控即時的溫度。用戶可以在控制面板的液晶屏上很直觀的進行溫度設(shè)定，并且觀察機殼表面實際溫度值。 2. ADN8830 控制電路 ADN8830 控制電路 的 結(jié)構(gòu)框架如 圖 所示。 12 圖 ADN8830 控制電路 的 結(jié)構(gòu)框架 主要由以下幾個部分組成： (1) 高精度、低溫漂的溫度信號測量誤差放大器 (2) 補償放大器 (3) 參考電源發(fā)生器 (4) 振蕩器 (5) PWM(脈寬調(diào)制 )控制 器 (6) MOSFET (場效應(yīng)管 )驅(qū)動器。 ADN8830利用負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器 ， 將被控環(huán)境的溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號 ， 并將此溫度電壓信號輸入到溫度測量放大器進行放大。然后與設(shè)定的目標溫度電壓值進行比較產(chǎn)生誤差信號。此誤差信號經(jīng)過補償放大器進行積分放大后傳到脈寬調(diào)制線性放大器進一步放大 ， 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 進行制熱或制冷。使被控制的環(huán)境溫度向目標溫度值靠近。傳感器再實時地將感應(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 ， 不間斷地進行著。當(dāng)被控環(huán)境的溫度離目標溫度較遠時 ， 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)接近目標溫度時 ， 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橋同時控制 TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標物體的溫度低于設(shè)定點溫度時 ， H橋朝 TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動電流 ； 當(dāng)目標物體的溫度高于設(shè)定點溫度時 ， 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物體溫度。 方案對比與選擇 方案一 的 優(yōu)點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。 13 方案一 的 缺點是軟件 PID算法實現(xiàn)復(fù)雜，需要一個精確的溫度采集電路。同時單片機需要不停的根據(jù)采集回來的溫度 計算輸出相應(yīng) PWM，占用比較多單片機資源。在激光器中單片機可能還需要實現(xiàn)對 LD的功率頻率的調(diào)制控制，所以溫控系統(tǒng)最好能硬件獨立完成調(diào)節(jié)控制。 方案二 的 優(yōu)點是溫度控制反饋調(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，但是對單片機資源暫用很少，軟件編程也容易實現(xiàn)。 綜上所述，從 實際應(yīng)用出發(fā)， 為了能 精確實現(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 經(jīng)過 ，最終確定選擇方案二實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計， 系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu)框圖 如 圖 。系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計， 系統(tǒng) 硬件又 可以 劃 分為三 個 部分： ； ； H橋電路 。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要指主控制器單片機的軟件設(shè)計。 按 按 按 按 按L C D 1 2 8 6 4D S 1 8 B 2 0D A C 8 5 7 1A D N 8 8 3 0 按按 按 按H 按 按 按T E C 圖 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， 外擴 顯示 器 12864LCD，獨立按鍵，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)置目標溫度， 再由 單片機通過 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 , 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。利用 TEC穩(wěn)定目標14 溫度的方法如圖 。 比 較 電 路 誤 差 放 大 補 償 網(wǎng) 絡(luò) H 橋T E C溫 度 傳 感 器 目 標 器 件圖 TEC控制原理 圖 ， TEC上方是溫度傳感器與目標器件。這個傳感器是用來測量安放在 TEC端的目標物體的溫度。期望的目標物體溫度是用一個設(shè)定 點電壓來表示 , 與溫度傳感器產(chǎn)生的代表實際目標物體溫度的電壓通過高精度運算放大器進行比較 , 然后產(chǎn)生誤差電壓。這個電壓通過高增益的放大器放大 , 同時也對因為目標物體的冷熱端引起的相位延遲進行補償 , 然后再驅(qū)動 H橋輸出 , H橋同時控制 TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標物體的溫度低于設(shè)定點溫度時 , H橋朝 TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動電流 。 當(dāng)目標物體的溫度高于設(shè)定點溫度時 , 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物體溫度。當(dāng)控制環(huán)路達到平衡時 ， TEC的電流方向和幅值就調(diào)整好了 , 目標物體溫度也 等于設(shè)定的溫度。 在該設(shè)計中 ， 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)一個目標溫度設(shè)定點。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 FDW2520C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，達到監(jiān)控目標溫度的目的 。溫度監(jiān)控及溫度設(shè)定操作界面如圖 所示。 圖 溫度監(jiān)控及設(shè)定溫度操作界面 在對主控制器單片機的軟件進行詳細設(shè)計前，首先要確定軟件主程序的執(zhí)行流15 程，如 圖 所示。 初 始 化開 機 頁 面操 作 界 面 顯 示是 否 有 鍵 按 下讀 取 溫 度刷 屏 標 志 變 量 是 否 為 1刷 新 顯 示清 零 標 志獲 取 鍵 值 按鍵 標 志 位 置 1是 否 有 鍵 按 下光 標 顯 示 及 系 統(tǒng)功 能 處 理是 否 需 要 向 D A C 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)D A C 操 作否否否否是是是是 圖 主程序流程圖 16 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 引言 本章介紹了系統(tǒng)硬件各個組成部分的設(shè)計，包括系統(tǒng)電源、單片機最小系統(tǒng)、單片機外圍電路、 ADN8830 及其外圍電路、 H 橋電路的設(shè)計。 系統(tǒng)電源設(shè)計 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)后進一步進行濾波與電平轉(zhuǎn)換等處理。 系統(tǒng)中單片機 MSP430 部分是 ，其它部分都是 5V供電。所以需要電平轉(zhuǎn)換，使用 SPX1117 穩(wěn)壓芯片把 5V電源轉(zhuǎn)換成 。其 電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 5V/ 電平轉(zhuǎn)換電路原理圖 ADN88 DAC8571 及 TEC 驅(qū)動是 5V供電，兩款 IC 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)電源的輸出進一步進行消除電壓紋波的處理。 具體電路設(shè)計如圖 所示。 17 圖 電源濾波處理電路 單片機及其外圍電路設(shè)計 單片機及其外圍電路包括單片機的最小系統(tǒng)、液晶顯示 LCD1286獨立按鍵、溫度傳感器 DS18B20 如圖 所示。 按 鍵單 片 機M S P 4 3 0 F 1 4 9L c d 1 2 8 6 4溫 度 傳 感 器D S 1 8 B 2 0 圖 單片機及其外圍電路組成框架 下面對單片機及其外圍電路的各部分設(shè)計進行詳細介紹。 單片機 MSP430F149 及其最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機采用的是 MSP430F149，這是一款 TI公司生產(chǎn)的 MSP430 系列 16位單片機。片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個 16 位定時器、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