【導(dǎo)讀】網(wǎng)絡(luò)，能夠使目標(biāo)溫度在30s內(nèi)穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)，溫度控制精度可℃。電壓控制信號給ADN8830來調(diào)節(jié)流過TEC的電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有效率高、功。耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器LCD12864的設(shè)計...

　　

【正文】 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 ， 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。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。如圖 , 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 N2A和 N2B的結(jié)電容被反復(fù)地充電和放電 ， 其消耗的能量可簡單用下式表達(dá) 。 22D D CL K1 Vf2G CL ISSPC ??? () 由式 ()可知 , PWM 開關(guān)工作頻率越高 , 則 MOS管上消耗的無用功越多。綜合考慮 LC濾波效果和減少無用功 ,本設(shè)計 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)行計算而得。 9f = 1 5 0 /C LK C LKRf??? () 其中 fCLK單位為 Hz,在設(shè)計中考慮到 TEC的特性與 H橋中的濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，取 fCLK = 1MHz。 一般情況下，一個 的電感 L一個 22μF 的電容 C2和 1MHz 的轉(zhuǎn)換頻率就可以保證通過 TEC的最差電壓波動低于 177。 %。而 H橋的另一側(cè)不需要附加電路。 所以RfCLK取 150kΩ 。 開關(guān)頻率與電阻 RFCLK的關(guān)系如表 。 表 頻率與電阻的關(guān)系表 開關(guān)頻率 fCLK 電阻 RfCLK 100KHz 250KHz 600KΩ 27 500KHz 300KΩ 750KHz 200KΩ 1MHz 150KΩ 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 PID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 ： 01()tPDIdeU K e e d TT dt? ? ? ?? () 式 ， Kp為比例系數(shù) ； TI為積分時間常數(shù) ； TD為微分時間常數(shù) 。 最簡單的 PID補(bǔ)償電路僅有比例部分 ， 比例反映偏差信號 。 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 ， 系統(tǒng)動作靈敏 ， 速度加快 ， 但 Kp過大會導(dǎo)致動態(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 ， 被控變量波動很大 。 微分控制對誤差進(jìn)行微分 ， 對誤差的變化趨勢反應(yīng)敏感 ， 能夠加快系統(tǒng)響應(yīng) ， 減小調(diào)節(jié)時間 ， 增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 其缺點(diǎn)是對干擾敏感 。 對 PID 補(bǔ)償電路的 3個參數(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) , 僅需要幾個電阻和電容 , 如圖 所示。不同的應(yīng)用設(shè)計者可以根據(jù) 自己的熱負(fù)載特性來調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) , 從而達(dá)到最佳的溫度設(shè)定時間和穩(wěn)定性容限 , 但補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期對控制系統(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間常數(shù)。但是 TEC和溫度傳感器的熱時間常數(shù)是一個難以描述的因素 , 無法通過計算方式來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。針對圖 的 PID網(wǎng)絡(luò)通?？梢酝ㄟ^以下調(diào)試步驟來優(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 ； 28 (5)改變 TEMPSET的電壓值來調(diào)節(jié) TEC 兩端的電壓穩(wěn)定時間 , 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)定時間 , 但是會造成輸出電壓過充 ； (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。 圖 PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定 本設(shè)計的溫度控制電路利用圖 PID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)調(diào)試后 , 取 C9 =22uF , C10 =330pF , C11=1uF, R7=1M , R5=1M, R6=100K時 , 系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度的建立時間在 10s以內(nèi) , 精度可達(dá) ℃ , 并且能保持長期穩(wěn)定。圖 PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電路圖。 圖 系統(tǒng) PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電路圖 29 其他外圍電路設(shè)計 TEC 上的最大電壓 VTECMAX的設(shè)定 通過設(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。 VTECMAX的值和 VLIM的關(guān)系通過式 。 (1 . 5 )T E C M A X L MVV? ? ? ? （ ） 設(shè)計要求 TEC上所加電壓最大為 5V, 根據(jù)式 , 則 VLIM值應(yīng)為 0V。 P15引腳端 接地即可 。為了保證 ADN 8830對施加在 TEC 上的電壓進(jìn)行實(shí)時檢測 , H橋的電感濾波輸出端 (VA)應(yīng)與 ADN8830的 P19腳相連 , H橋的另一個輸出點(diǎn) (VB)應(yīng)與 ADN8830的第 9腳相連。 圖 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)熱敏電阻檢測到的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時 , 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 ， 此時發(fā)光二極管 D1發(fā)光。若環(huán)境溫度太高或太低超出了設(shè)定 ℃ 范圍 TEC控制器溫度鎖定指示為 0。 當(dāng)管腳 1(THERMFAULT)輸出高電平時 , 表示電路工作異常 , 發(fā)光二極管 D2 被點(diǎn)亮。 功率驅(qū)動 H 橋模塊 的設(shè)計 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。同時 , 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)。如圖 ， 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、 N3A30 常閉時 , 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 , 電流從 TEC的 /0端經(jīng) TEC流向 /+0端。 H橋的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 H橋結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計時 , 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)動用來給 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 FDW2520C芯片集 成了一個 N溝道和一個 P溝道的 MOSFET開關(guān)管。 電路工作與 PWM控制模式中 , 輸出驅(qū)動為開關(guān)脈動電流 , 必需采用電感和電容對施加在 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)頻率幾個因素限制。通過電感上的電流如圖 : ITEC為通過 TEC上的電流 , VIL為通過電感上的紋波電流。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, 通過電感上的紋波電流為 VIL, 則 : / 3 . 0 / 5 . 0 0 . 6O U T C CD V V? ? ? () 圖 通過電感的電流 TEC上的電流為 1A, 若允許電流波動為 177。 , 則 Δ IL為 , 也即通過電感的電流最大為 。由式 ()式可知 , 若選擇的電感量越大 , 則通過電感上的紋波電31 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 , 本設(shè)計選擇電感量為 、額定電流為 式電感 , 其直流電阻小于 70mΩ 。根據(jù)式 ()計算 , 若 Δ IL 允許為 , 電感為 , fCLK應(yīng)大于 425kHz。為了保證 TEC能夠具有合理的建立時間 , 濾波電路中電感和電容回路的阻尼因素必須大于 。阻尼因素可以簡單由式（ ）確定 。 1124TEC LR C? ? ? () 通過對式（ ）分析可知 , C4越小 , 阻尼系數(shù)越大。但是 C4越小 , 輸出紋波電壓越大。綜合考慮實(shí)際電容尺寸大小 , 和控制器電路整體體積大小 , C4選擇 22uF, RTEC(TEC的實(shí)際等效電阻 )為 , 則阻尼系數(shù)為 , 可以保證 TEC建立時間的合理性。 設(shè)計中 H橋功率驅(qū)動電路如圖 。 圖 H橋功率驅(qū)動電路 32 第四章 軟件設(shè)計 引言 本章主要介紹各部分程序的設(shè)計，內(nèi)容包括程序功能、流程、時序的說明及重要代碼等。完整程序清單見附錄。 設(shè)計調(diào)試環(huán)境及工具 使用單片機(jī)為 TI 公司的 16位 MSP430F149 單片機(jī)，調(diào)試環(huán)境為 IAR Embedded Workbench 。調(diào)試環(huán)境如圖 所示。 IAR Systems 是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于1983 年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有 C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、實(shí)時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。 它最著名的產(chǎn)品是 C 編譯器 IAR Embedded Workbench, 支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用 IAR SYSTEMS 提供的開發(fā)工具，用以開發(fā)他們的前沿產(chǎn)品，從消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車應(yīng)用、醫(yī)療、航空航天到手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 。 MSP430FLASH 系列單片機(jī)支持在線仿真調(diào)試，這給軟件調(diào)試帶來了很大方便。 圖 軟件調(diào)試環(huán)境 IAR Embedded Workbench 33 主程序的設(shè)計 ：見圖 ：主程序，包括初始化，各個系統(tǒng)功能模塊的循環(huán)流程控制，光標(biāo)控制 ： /******************************************* 函數(shù)名稱： void main（） 功 能：主函數(shù) 參 數(shù)：無 返回值 ：無 ********************************************/ include include include include include include include include include extern uchar key_value。 extern uchar key_flag。 extern uchar second,minute,hour,hour0。 extern uint dN_1[3]。 uchar DAC_1,DAC_2。//寫到 DAC 的電壓數(shù)據(jù) DAC_1 高 8位 uchar Temp_1。//設(shè)定溫度的正負(fù)， 0正 1負(fù) uchar redraw。//刷屏標(biāo)志 uint position_x。//光標(biāo)坐標(biāo)變量 uint position_y。 uchar colum_6[]=已用時： 。 uchar colum_7[]=即時溫度 : ℃ 。 uchar colum_8[]=設(shè)定溫度 +℃ 。 uchar colum_9[]=send 確定 。 uchar colum_12[]=send 確定 ^ 。 34 uchar colum_13[]=send 確定 ^ 。 uchar colum_14[]=send 確定 ^ 。 uchar colum_15[]=send 確定 。 uchar colum_16[]=sending... 。 uchar colum_17[]= send succeed 。 uchar colum_1[]=覃仕明 。 uchar colum_2[]=長春工業(yè)大學(xué) 。 uchar colum_3[]=電氣與電子工程 。 uchar colum_4[]=090311 班 。 void main() { uchar skip。//光標(biāo)處理變量 WDTCTL = WD