【正文】 系統(tǒng)工作精度的前提下，研究一種簡單、實用、有效的溫控系統(tǒng)，以達(dá)到快速啟動的目的。在對波長穩(wěn)定性要求較高的場合，諸如干涉測量和光譜吸收氣體檢測待高精度測量應(yīng)用中，必須對LD溫度進行精確控制。LD易于調(diào)制的特點在于LD的輸出波長易受溫度和注入電流的影響。PID目 錄第一章 緒 論 5 5 5 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展 7 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計 9 系統(tǒng)設(shè)計要求 9 9 9 設(shè)計方案二 11 方案對比與選擇 12 系統(tǒng)方案設(shè)計 13第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 16 引言 16 系統(tǒng)電源設(shè)計 16 單片機及其外圍電路設(shè)計 17 17 18 20 20 21 22 23 26 27 29 29第四章 軟件設(shè)計 32 32 32 主程序的設(shè)計 33 LCD12864顯示子程序的設(shè)計 40 42 44 DS18B20子程序的設(shè)計 45 DAC8571子程序的設(shè)計 48第五章 實驗與驗證 51 51 52 52 52 52，及TEC兩端的電壓。temperature control。 PIDApplication of ADN8830 in Automatic Temperature Control of TECAbstractA Thermo Electric Cooler (TEC) control circuit of high performance and stability is presented, which is developed by a thermoelectric cooler controller, named ADN8830, produced by Analog Devices Inc. An outside Proportion Integral Differential (PID) pensation network constructed by simple capacitances and resistors, which can make the temperature of detector reach the optimum operating point in 30s and the precision of this control circuit is ℃. The MSP430 microcontroller implements a controller using a digital temperature sensor DS18B20 to read the current temperature, a digital to analog converter DAC8571 to output a control signal to ADN8830 which adjusts the current through the TEC. The experimental results show that this scheme of temperature control has the advantage of high effectiveness, low power and pact size.Keywords: ADN8830。 溫度控制。關(guān)鍵詞：ADN8830?？刂坪诵牟捎肕SP430單片機，單片機通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20讀取當(dāng)前溫度，通過DAC輸出電壓控制信號給ADN8830來調(diào)節(jié)流過TEC的電流。畢業(yè)設(shè)計:基于ADN8830的半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)摘 要 本設(shè)計提出一種基于AD 公司的熱電制冷控制器ADN8830的高性能、高穩(wěn)定性的TEC 控制電路。該電路通過簡單的電容、電阻構(gòu)成的外部PID( 比例積分微分) 補償網(wǎng)絡(luò)，能夠使目標(biāo)溫度在30s內(nèi)穩(wěn)定在最佳工作點，℃。實驗結(jié)果表明該方案具有效率高、功耗低、體積小等優(yōu)點。 TEC。 MSP430。TEC。MSP430。 52 52 TEC的安裝及散熱條件測試 52 53： 53 53 54 54 55 56第六章 總結(jié)與展望 57參考文獻(xiàn) 58致 謝 59附 錄 60系統(tǒng)源代碼 60第一章 緒 論由于體積小、功耗低、壽命長和易于調(diào)制，半導(dǎo)體激光器( Laser Diode)作為一種新型激光光源已廣泛應(yīng)用于通訊、醫(yī)療和測量等各個領(lǐng)域?！?。在應(yīng)用中，希望激光器啟動后以最短的時間達(dá)到熱平衡過程，系統(tǒng)迅速進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)?；赥EC的精密溫控器實現(xiàn)了對機殼的快速、高精度的溫度控制。但制冷系數(shù)低和制冷量小的不足限制了它的廣泛應(yīng)用。選用半導(dǎo)體制冷/制熱，對該小制冷/加熱量、小體積的系統(tǒng)無疑是很好的選擇。在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個熱傳遞的工具。但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時就會產(chǎn)生熱量，從而會影響熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達(dá)到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。為了達(dá)到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現(xiàn)。通常半導(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差可以達(dá)到40～65度之間，如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應(yīng)的下降，從而達(dá)到更低的溫度。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定，以下三點是熱電制冷的溫差電效應(yīng)。 ()式中：Qπ為放熱或吸熱功率π為比例系數(shù)，稱為珀爾帖系數(shù)I為工作電流a為溫差電動勢率Tc為冷接點溫度（THOMSON EFFECT）當(dāng)電流流經(jīng)存在溫度梯度的導(dǎo)體時，除了由導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外，導(dǎo)體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導(dǎo)體兩點之間，其放熱量或吸熱量為： ()式中：Qτ為放熱或吸熱功率τ為湯姆遜系數(shù)I為工作電流△T為溫度梯度 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展熱電制冷又稱溫差電制冷，或帕爾帖制冷，由于目前熱電制冷采用的都是半導(dǎo)體材料，因此也被稱為半導(dǎo)體制冷。它是利用半導(dǎo)體材料組成PN結(jié)，通過給其兩端施加直流電進行制冷。同一般機械制冷相比，不需要馬達(dá)、泵、壓縮機等機械運動部件，因而不存在磨損和噪聲，也不需要像氨、氟利昂之類的制冷工質(zhì)、制冷劑及其傳輸管路。開辟了制冷技術(shù)的一個獨特新分支。因此，熱電效應(yīng)在制冷技術(shù)上沒有實際應(yīng)用。約飛的理論得到實踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進行研究到六十年代半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)，才達(dá)到相當(dāng)水平，得到大規(guī)模的應(yīng)用，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片件。中國在半導(dǎo)體制冷技術(shù)開始于50年代末60年代初，當(dāng)時在國際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導(dǎo)體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個臺階。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導(dǎo)體制冷片，因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。熱電制冷具有諸多特點，應(yīng)用開發(fā)幾乎涉及所有制冷領(lǐng)域，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場合，更有其優(yōu)越性。如無線電元件恒溫器、微機制冷器、紅外探測器制冷器、便攜式冰箱、旅游汽車?yán)錈醿捎孟?、半?dǎo)體空調(diào)器、軍用和醫(yī)用制冷帽、自內(nèi)障摘除器、病理切片冷凍臺、潛艇空調(diào)器等。在日益發(fā)展的高科技領(lǐng)域中熱電制冷正越來越顯示出它的重要地位，這不僅僅是由于氟利昂制冷劑因其對大氣的污染而將被禁用，更主要的是因為這種制冷技術(shù)的特殊優(yōu)越條件和不可替代性。本文主要針對半導(dǎo)體制冷TEC精確溫控進行了研究，主要分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，全文共分六章，每章的題目及具體內(nèi)容如下： 第一章緒論，主要介紹了課題研究背景和研究意義，以及半導(dǎo)體制冷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。第三章硬件電路設(shè)計，主要介紹了單片機及其外圍電路的設(shè)計，ADN8830及其外圍電路的設(shè)計，功率驅(qū)動電路H橋的設(shè)計。第五章實驗與驗證，主要介紹了整個系統(tǒng)的實驗調(diào)試過程，包括硬件設(shè)計調(diào)試，軟件的設(shè)計與調(diào)試。VIII第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計一套用ADN8830驅(qū)動的TEC溫度自動控制電路，采用單片機作為控制器，并達(dá)到以下要求：℃；℃；℃以內(nèi)時，控溫收斂時間在1min左右；，并將預(yù)設(shè)溫度和當(dāng)前溫度顯示在LCD顯示器上。此方案核心是采用單片機數(shù)字PID方法達(dá)到調(diào)控溫度目的。在方案一中，系統(tǒng)主要由以下三部分組成：?！》桨敢坏南到y(tǒng)組成框架圖溫度采集用了熱敏電阻，這主要考慮了電壓信號不容易受干擾、容易與后續(xù)電路接口的優(yōu)勢；經(jīng)過鉑電阻特性分析，在要求的溫度范圍內(nèi)鉑電阻的線性較好，所以不必要增加非線性校正電路；采樣電壓再經(jīng)過高精度電壓放大電路和隔離電路之后輸出；另外，由于高精度的需要，電路對電源要求較高，所以采用穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓，并且需要高精度運放。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。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。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。通常開始重新制熱/制冷時，溫度繼續(xù)下降/上升幾度。 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。現(xiàn)場溫度與目標(biāo)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(biāo)值與實測值相等，達(dá)到自動控制的目的。 設(shè)計方案二此方案是采用AND8830為核心器件來達(dá)到調(diào)控溫度的目的。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。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。同時TEC控制器能讓TEC高效率工作以減小熱量，在達(dá)到目標(biāo)溫度系統(tǒng)穩(wěn)定后應(yīng)該有相應(yīng)指示。反饋給AND8830的電壓信號是用一個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）跟一分壓電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。TEC的驅(qū)動使用兩片F(xiàn)DW2520C管構(gòu)成的H橋電路。下面分別對每個部分進行說明?？刂泼姘逯饕?fù)責(zé)按鍵設(shè)定目標(biāo)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。2. ADN8830控制電路。ADN8830利用負(fù)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。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。使被控制的環(huán)境溫度向目標(biāo)溫度值靠近。此過程是周而復(fù)始，不間斷地進行著。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。H橋同時控制TEC電流的方向和大小。 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。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。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。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。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)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：；；。 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。DS18B20用以監(jiān)控被控溫器件表面溫度。 TEC控制原理，TEC上方是溫度傳感器與目標(biāo)器件。期望的目標(biāo)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(biāo)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。當(dāng)目標(biāo)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)控制環(huán)路達(dá)到平衡時，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。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。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。H橋驅(qū)動電路可以由2片F(xiàn)DW2520C芯片組成。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。 主程序流程圖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。，其它部分都是5V供電。 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。 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