【正文】 端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端?！“雽?dǎo)體制冷片實(shí)物圖本文提供的設(shè)計(jì)方案能為很多類似小功率半導(dǎo)體激光器的需要精確溫度控制場(chǎng)合提供有效支持。在激光二極管的溫度控制中，我們期望的溫控系統(tǒng)恰恰要求體積小巧，工作安靜。TEC即半導(dǎo)體致冷器，由于其體積小，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件和噪聲，能加熱和制冷，并且不需要使用制冷劑以及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、航天航空、船舶等的溫度控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此，需要在保證系統(tǒng)工作精度的前提下，研究一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效的溫控系統(tǒng)，以達(dá)到快速啟動(dòng)的目的。在對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，諸如干涉測(cè)量和光譜吸收氣體檢測(cè)待高精度測(cè)量應(yīng)用中，必須對(duì)LD溫度進(jìn)行精確控制。LD易于調(diào)制的特點(diǎn)在于LD的輸出波長(zhǎng)易受溫度和注入電流的影響?；贏DN8830的半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論 5 5 5 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展 7 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 9 9 9 設(shè)計(jì)方案二 11 方案對(duì)比與選擇 12 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 引言 16 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 16 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì) 17 17 18 20 20 21 22 23 26 27 29 29第四章 軟件設(shè)計(jì) 32 32 32 主程序的設(shè)計(jì) 33 LCD12864顯示子程序的設(shè)計(jì) 40 42 44 DS18B20子程序的設(shè)計(jì) 45 DAC8571子程序的設(shè)計(jì) 48第五章 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證 51 51 52 52 52 52，及TEC兩端的電壓。 52 52 TEC的安裝及散熱條件測(cè)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(zhǎng)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(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域?！?。在應(yīng)用中，希望激光器啟動(dòng)后以最短的時(shí)間達(dá)到熱平衡過程，系統(tǒng)迅速進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)?；赥EC的精密溫控器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)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(duì)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(gè)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(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)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(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，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(shí)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(dòng)散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會(huì)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(duì)數(shù)來決定，以下三點(diǎn)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?duì)柼禂?shù)I為工作電流a為溫差電動(dòng)勢(shì)率Tc為冷接點(diǎn)溫度（THOMSON EFFECT）當(dāng)電流流經(jīng)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，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(diǎn)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(guó)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(jìn)行制冷。同一般機(jī)械制冷相比，不需要馬達(dá)、泵、壓縮機(jī)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(gè)獨(dú)特新分支。因此，熱電效應(yīng)在制冷技術(shù)上沒有實(shí)際應(yīng)用。約飛的理論得到實(shí)踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)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(guó)在半導(dǎo)體制冷技術(shù)開始于50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)在國(guó)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(guó)際水平，60年代末至80年代初是我國(guó)半導(dǎo)體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺(tái)階。中國(guó)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(diǎn)，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(chǎng)合，更有其優(yōu)越性。如無線電元件恒溫器、微機(jī)制冷器、紅外探測(cè)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(tái)、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(duì)大氣的污染而將被禁用，更主要的是因?yàn)檫@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(duì)半導(dǎo)體制冷TEC精確溫控進(jìn)行了研究，主要分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。第三章硬件電路設(shè)計(jì)，主要介紹了單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)，ADN8830及其外圍電路的設(shè)計(jì)，功率驅(qū)動(dòng)電路H橋的設(shè)計(jì)。第五章實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，主要介紹了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程，包括硬件設(shè)計(jì)調(diào)試，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。V第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套用ADN8830驅(qū)動(dòng)的TEC溫度自動(dòng)控制電路，采用單片機(jī)作為控制器，并達(dá)到以下要求：℃；℃；℃以內(nèi)時(shí)，控溫收斂時(shí)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(jī)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(hào)不容易受干擾、容易與后續(xù)電路接口的優(yōu)勢(shì)；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(duì)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(yùn)放。由單片機(jī)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(gè)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(shí)，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(shí)靠近TEC熱層的溫度會(huì)高于設(shè)定溫度，熱層還將會(huì)對(duì)器件進(jìn)行加熱或者吸取熱量，即使溫度控制器發(fā)出信號(hào)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(shí)，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(chǎng)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值相等，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。 設(shè)計(jì)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(gè)加載在ADN8830輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。器件的溫度由一個(gè)熱敏電阻來測(cè)量并反饋給ADN8830，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)TEC工作。同時(shí)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(hào)是用一個(gè)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(dòng)使用兩片F(xiàn)DW2520C管構(gòu)成的H橋電路。下面分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行說明。控制面板主要負(fù)責(zé)按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度通過DAC發(fā)送電壓信號(hào)給ADN8830，并且通過溫度傳感器監(jiān)控即時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并將此溫度電壓信號(hào)輸入到溫度測(cè)量放大器進(jìn)行放大。此誤差信號(hào)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(hào)推動(dòng)溫度控制的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)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(jìn)行著。3. 功率驅(qū)動(dòng)H橋模塊功率驅(qū)動(dòng)H橋模塊的電路中，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。H橋同時(shí)控制TEC電流的方向和大小。 方案對(duì)比與選擇方案一的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路組成簡(jiǎn)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(dòng)電路即可完成整個(gè)硬件設(shè)計(jì)。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。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。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。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)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(gè)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(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。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(gè)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。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(dòng)電流。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。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(dòng)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(gè)加載在ADN8830 輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。需要空溫器件的溫度由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來測(cè)量并反饋給ADN8830, 用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)TEC工作。H橋驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jì) 引言本章介紹了系統(tǒng)硬件各個(gè)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)。，其它部分都是5V供電。 5V/ADN88DAC8571及TEC驅(qū)動(dòng)是5V供電，兩款I(lǐng)C都是需要一個(gè)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(jī)及其外圍電路組成框架下面對(duì)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。片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器。分別為L(zhǎng)FXT1CLK: 低頻/高頻時(shí)鐘源，由外接晶體振蕩器,而無需外接兩個(gè)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(gè)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。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。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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)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(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。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(jiǎn)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。 LCD12864并口通信接口說明管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1GND0V電源地2VCC+5V電源正3VL對(duì)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(hào)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15