【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 RAM，編號(hào)為0號(hào)和1號(hào)。1號(hào)存貯器存放溫度值的符號(hào)，如果采用12位溫度讀數(shù)，溫度為負(fù)(℃)，則1號(hào)存貯器高5位全為1，否則全為0。1號(hào)低3位與0號(hào)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(cè)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(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)。采取外部供電方式，則多用一根導(dǎo)線，但測(cè)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(dòng)開關(guān)輸出的TEC控制器結(jié)構(gòu)采用完全對(duì)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(jí)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(hào)方式時(shí)，線性輸出級(jí)會(huì)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(huì)飽和在某個(gè)電源電壓軌上。在小信號(hào)工作方式下，線性模式輸出級(jí)會(huì)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(guò)渡。 所示。它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻檢測(cè)需要控溫器件的溫度并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，與來(lái)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(gè)誤差信號(hào)經(jīng)由PWM控制器驅(qū)動(dòng)TEC來(lái)穩(wěn)定需要控溫器件的溫度。系統(tǒng)的反饋環(huán)路通過(guò)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(guò)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(chǎng)合計(jì)算出來(lái)。輸出電壓用來(lái)監(jiān)控發(fā)熱部件溫度和通過(guò)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(jí)，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。℃；，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(gè)與被控溫器件當(dāng)前溫度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，在THERMSET(pin4)腳輸入一個(gè)與設(shè)定溫度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。下面介紹接入這兩個(gè)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小。20℃—40℃。 熱敏電阻溫度與阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系表T(℃) R(KΩ)T(℃) R(KΩ)T(℃) R(KΩ) ADN8830集成了一個(gè)精密的參考電壓發(fā)生器。所以溫度采集電路直接接在該引腳上，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），構(gòu)成一分壓結(jié)構(gòu)。（P2為熱敏電阻NTC的插座）。 溫度采集電路溫度的設(shè)定采用一高精度低功耗的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8571送給ADN8830的TEMPSET腳一個(gè)與設(shè)定溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。DAC8571采用I2C通信，設(shè)計(jì)中采用IO口模擬I2C通信，SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳、SCL串行時(shí)鐘輸入腳分別與單片機(jī)的P3P35相連。DAC電源采用5V供電，用一個(gè)10uF與一個(gè)104電容做簡(jiǎn)單濾波。A0地址腳接地。（pin7）腳。電壓輸出腳VOUT與ADN8830的溫度設(shè)定腳TEMPSET腳相連接，用以設(shè)定目標(biāo)溫度。 溫度設(shè)定電路當(dāng)溫度采集電路中得到的電壓信號(hào)，即接到ADN8830溫度電壓信號(hào)輸入腳TEMPIN的電壓信號(hào)與溫度設(shè)定腳TEMPSET的輸入電壓值相等時(shí)，誤差放大器的輸出為零，此時(shí)目標(biāo)溫度就已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的溫度。判斷ADN8830的5腳（TEMPLOCK）的邏輯輸出就可以判斷目標(biāo)溫度是否已經(jīng)達(dá)到。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，輸出高電平，發(fā)光二極管D1 發(fā)光。所以，每個(gè)設(shè)定的溫度值對(duì)應(yīng)一個(gè)DAC的輸出電壓。該電壓值等于在該設(shè)定溫度下，溫度采集電路中NTC分壓得到的電壓值。因?yàn)椴捎玫腄AC是16位DAC所以得發(fā)送給DAC的數(shù)據(jù)D的計(jì)算公式：D=(R/(R+))*65536。設(shè)定溫度值與NTC阻值、DAC輸出電壓值、。 設(shè)定溫度值與DAC電壓值對(duì)應(yīng)關(guān)系表公式：D=(R/(R+))*65536　　　　Vref=　　　　溫度（℃）NTC阻值（Ω）D16位轉(zhuǎn)換DAC電壓值（V）25103706790CB367148F6A26363618E09360088CA827356558B473530289E628349508886345988726293424785C73389784693033547830B3319881AE31328498051325027EF632321567D9C318117C4333314677AEB3112479943430782783E3044276EA35301037597297667446362943172F72909771A93728764705C284346F1238281056DC9277786C823927452683C2712969F9402680868B8選頻網(wǎng)絡(luò)就是設(shè)置PWM開關(guān)的工作頻率。當(dāng)電路工作于開關(guān)模式時(shí)，可以提高電源的利用率。開關(guān)頻率越大, 紋波濾波器的設(shè)計(jì)就可以選擇體積越小的電感和電容, 便于控制器小型化設(shè)計(jì)。但是H橋MOSFET功率管的開關(guān)損耗是隨著頻率的增加而增加。, N2A和N2B兩管工作于開關(guān)狀態(tài), N3A和N3B工作于固定的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。因此，工作時(shí)N2A和N2B的結(jié)電容被反復(fù)地充電和放電，其消耗的能量可簡(jiǎn)單用下式表達(dá)。 ()由式()可知, PWM 開關(guān)工作頻率越高, 則MOS管上消耗的無(wú)用功越多。綜合考慮LC濾波效果和減少無(wú)用功,本設(shè)計(jì)將PWM開關(guān)工作頻率選擇1MHz左右。ADN8830具有內(nèi)置振蕩器, 使得PWM開關(guān)工作頻率設(shè)置比較方便, 只要在P26腳與地之間串聯(lián)一電阻RfCLK即可。電阻值根據(jù)選擇的PWM開關(guān)工作頻率和式()進(jìn)行計(jì)算而得。 ()其中fCLK單位為Hz,在設(shè)計(jì)中考慮到TEC的特性與H橋中的濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，取fCLK = 1MHz。一般情況下，、一個(gè)22μF的電容C2和1MHz 的轉(zhuǎn)換頻率就可以保證通過(guò)TEC的最差電壓波動(dòng)低于177。%。而H橋的另一側(cè)不需要附加電路。所以RfCLK取150kΩ。 頻率與電阻的關(guān)系表開關(guān)頻率fCLK電阻RfCLK100KHz250KHz600KΩ500KHz300KΩ750KHz200KΩ1MHz150KΩPID補(bǔ)償電路是溫度控制環(huán)路中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)高精度控制的重要保障。PID的數(shù)學(xué)模型為： ()，Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。最簡(jiǎn)單的PID補(bǔ)償電路僅有比例部分，比例反映偏差信號(hào)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即作用，使被控變量朝著減小誤差的方向變化。比例系數(shù)Kp決定控制作用的強(qiáng)弱，Kp適當(dāng)增大時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快，但Kp過(guò)大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至使閉環(huán)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。引入積分控制能后可記憶并積分偏差，很小的偏差也會(huì)積累并進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是積分作用總是滯后于偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)易于振蕩，被控變量波動(dòng)很大。微分控制對(duì)誤差進(jìn)行微分，對(duì)誤差的變化趨勢(shì)反應(yīng)敏感，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其缺點(diǎn)是對(duì)干擾敏感。對(duì)PID 補(bǔ)償電路的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行合理選取，以便達(dá)到最佳的綜合控制效果。ADN8830 TEC控制器采用外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò), 僅需要幾個(gè)電阻和電容, 所示。不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的熱負(fù)載特性來(lái)調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò), 從而達(dá)到最佳的溫度設(shè)定時(shí)間和穩(wěn)定性容限, 但補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。為了確保溫度控制的穩(wěn)定性, 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期必須小于TEC和溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)。但是TEC和溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)是一個(gè)難以描述的因素, 無(wú)法通過(guò)計(jì)算方式來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 的PID網(wǎng)絡(luò)通?？梢酝ㄟ^(guò)以下調(diào)試步驟來(lái)優(yōu)化參數(shù):(1)將電容C9短路、C11開路, 僅只留下電阻R6和R5構(gòu)成一簡(jiǎn)單的補(bǔ)償比例網(wǎng)絡(luò)；(2)增加電阻R6和R5的比例, 從而增加增益直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩, 然后將R6和R5的比例縮小至原來(lái)的1/2；(3)將電容C9串接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò), 并減小該電容的值直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩, 然后將電容C9的值增加1倍； (4)短路電阻R7并加入電容C11使TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩, 這時(shí)可以減小電容C11或者重新接入電阻R7使TEC兩端的電壓穩(wěn)定；(5)改變TEMPSET的電壓值來(lái)調(diào)節(jié)TEC 兩端的電壓穩(wěn)定時(shí)間, TEMPSET的變化約在100mV, 然后減小電容C11,C9和電阻R7從而減小穩(wěn)定時(shí)間, 但是會(huì)造成輸出電壓過(guò)充；(6)添加與R6和C9并聯(lián)的反饋電容C10，反饋電容C10 在不增加穩(wěn)定時(shí)間的前提下能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般330 pF～1nF的電容比較合適。 PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定, 取C9 =22uF , C10 =330pF , C11=1uF, R7=1M , R5=1M, R6=100K時(shí), 系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度的建立時(shí)間在10s以內(nèi), ℃, 并且能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電路圖 上的最大電壓VTECMAX的設(shè)定通過(guò)設(shè)置P15引腳的VLIM 電壓可以設(shè)置加在TEC兩端電壓的最大值。 （）設(shè)計(jì)要求TEC上所加電壓最大為5V, , 則VLIM值應(yīng)為0V。P15引腳端接地即可。為了保證ADN 8830對(duì)施加在TEC 上的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè), H橋的電感濾波輸出端(VA)應(yīng)與ADN8830的P19腳相連, H橋的另一個(gè)輸出點(diǎn)(VB)應(yīng)與ADN8830的第9腳相連。 TEC兩端電壓最大值與P15腳的電壓關(guān)系具有溫度鎖定指示功能，當(dāng)熱敏電阻檢測(cè)到的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí), ADN8830 的管腳5(TEMPLOCK)輸出高電平，表示非制冷紅外焦平面的工作溫度已達(dá)設(shè)定溫度，此時(shí)發(fā)光二極管D1發(fā)光?！娣秶鶷EC控制器溫度鎖定指示為0。當(dāng)管腳1(THERMFAULT)輸出高電平時(shí), 表示電路工作異常, 發(fā)光二極管D2 被點(diǎn)亮。電路中采用MOSFET功率管H橋輸出驅(qū)動(dòng)替代常用的線性調(diào)整功率管驅(qū)動(dòng), 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(dòng)消耗在驅(qū)動(dòng)器上的無(wú)用功耗就大大減少。同時(shí), 采用H橋可以在不增加負(fù)電源的情況下, 靈活地調(diào)整加在TEC上的電流極性, 使TEC工作于制冷狀態(tài)還是制熱狀態(tài)。，TEC制冷器放置在H橋的中間，當(dāng)N2A開關(guān)管有效導(dǎo)通、N2B開關(guān)管有效關(guān)閉、N3B常通、N3A常閉時(shí), 電流從TEC的/+0端經(jīng)TEC流向/0端；當(dāng)N2A開關(guān)管有效關(guān)閉、N2B開關(guān)管有效導(dǎo)通、N3B常閉、N3A常通時(shí), 電流從TEC的/0端經(jīng)TEC流向/+0端。 H橋結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)時(shí), 為了提高電源效率、擴(kuò)展散熱渠道以及使用靈活性和保護(hù)ADN8830, 控制器ADN8830采用外接MOSFET功率管H橋。ADN8830可以驅(qū)動(dòng)用來(lái)給TEC提供電流的外部MOS管，MOS管選用由ADI公司配套提供的FDW2520C芯片。每片F(xiàn)DW2520C芯片集成了一個(gè)N溝道和一個(gè)P溝道的MOSFET開關(guān)管。電路工作與PWM控制模式中, 輸出驅(qū)動(dòng)為開關(guān)脈動(dòng)電流, 必需采用電感和電容對(duì)施加在TEC兩端的開關(guān)脈沖電流進(jìn)行濾波, 保證TEC安全可靠工作。其中電感的選擇受到通過(guò)電感的額定電流、濾波輸出的紋波系數(shù)、PWM開關(guān)頻率幾個(gè)因素限制。: ITEC為通過(guò)TEC上的電流, VIL為通過(guò)電感上的紋波電流。設(shè)VOUT為施加在TEC兩端的電壓, VCC為工作電源電壓, PWM 輸出最大占空因素為D, 通過(guò)電感上的紋波電流為VIL, 則: () 通過(guò)電感的電流TEC上的電流為1A, 若允許電流波動(dòng)為177。, , 。由式()式可知, 若選擇的電感量越大, 則通過(guò)電感上的紋波電流越小, 另外選擇電感的額定電流由ITEC和紋波電流決定。除了這些電參數(shù)決定了電感的選擇之外, 控制器的體積大小也決定選擇什么樣的電感。綜合考慮電路的體積、電感制造工藝、功耗等因素, 、, 其直流電阻小于70mΩ。根據(jù)式()計(jì)算, 若ΔIL , , f