基于adn8830及msp430的tec温度控制电路的设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于adn8830及msp430的tec温度控制电路的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

波即可满足要求。 PID 控制 由单片机采用模糊 PID 算法 ，通过 Pvar、 Ivar、 Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。 方案一的温度控制原理如下：本系统的温度控制器的制热 /制冷元件是 TEC。 TEC通过电流制热 /制冷时，热层结构存在梯形温差，越靠近 TEC 部分温度越高 /低。 当目标温度升高 /降低至设定温度时，温度控制器会发出信号停止制热 /制冷。 但这时靠近TEC 热层的温度会高于设定温度，热层还将会对器件进行加热或者吸取热量，即使温度控制器发 出信号停止制热 /制冷，被加热器件的温度还往往继续上升 /下降几度，然后才开始下降 /上升。 当下降 /上升到设定温度的下限 /上限时，温度控制器又开始发出制热 /制冷的信号，开始制热 /制冷，但 TEC 要把温度传递到被加热器件需要一定的时间，这就要视 TEC 与被加热器件之间的介质情况而定。 通常开始重新制热 /制冷时，温度继续下降 /上升几度。 所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。 增量式 PID 算法的输出量为： ΔUn = Kp[(en(en1))+(T/Ti)en+(Td/T)((en2)*(en1)+en2)] （ ） 式中， en、 (en1)、 (en2)分别为第 n 次、 n1 次和 n2 次的偏差值， Kp、 Ti、 Td 分别为比例系数、积分系数和微分系数， T 为采样周期。 单片机每隔固定时间 T 将现场温度与设定目标温度的差值带入增量式 PID 算法公式，由公式输出量决定 PWM 方波的占空比，后续加热电路根据此 PWM 方波的占空比决定加热功率。 现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大， 使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。 功率驱动 电路采用 H 桥电路，由单片机输入的 PWM 控制信号 通 过对 MOS 管的开关控制达到调节 TEC 功率跟电流方向的目的。 11 设计方案二 此方案 是 采用 AND8830为核心 器件来 达到调控温度的目的。 ADN8830是一个TEC控制器，用于设定和稳定 TEC的温度。 每个加载在 ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。 适当的电流通过 TEC将驱动 TEC供热 或是制冷。 器件的温度由一个热敏电阻来测量并反馈给 ADN8830，用于调整系统回路和驱动 TEC工作。 ADN8830集成了精密的输入放大器用以准确测量目标温度和器件实际温度之间的差别；补偿放大器用以优化 TEC对温度间隔的反应和一个高输出电流用以满 TEC工作的电流。 同时 TEC控制器能让 TEC高效率工作以减小热量，在达到目标温度系统稳定后应该有相应指示。 温度的设定采用一个 DAC提供，用户可以通过操作面板按键输入想要设定的目标温度。 反馈给 AND8830的电压信号是用一个负温度系数热敏电阻（ NTC）跟一分压电阻串联 的结构。 器件的实际温度是用数字温度传感器 DS18B20测量，并且把即时温度显示在控制面板的 LCD上。 TEC的驱动使用两片 FDW2520C管构成的 H桥电路。 在方案二中， 系统可以分为 以下 三部分： ； ； H桥电路。 方案二的 系统 组成 框架如 图。 下面分别对每个部分进行说明。 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图 方案二系统组成框架图 1. 控制面板 控制面板以单片机 MSP430 为控制核心，包括显示模块 ，按键模块， DAC 模块，测温模块。 控制面板主要负责按键设定目标温度通过 DAC 发送电压信号给ADN8830，并且通过温度传感器监控即时的温度。 用户可以在控制面板的液晶屏上很直观的进行温度设定，并且观察机壳表面实际温度值。 2. ADN8830 控制电路 ADN8830 控制电路 的 结构框架如 图 所示。 12 图 ADN8830 控制电路 的 结构框架 主要由以下几个部分组成： (1) 高精度、低温漂的温度信号测量误差放大器 (2) 补偿放大器 (3) 参考电源发生器 (4) 振荡器 (5) PWM(脉宽调制 )控制 器 (6) MOSFET (场效应管 )驱动器。 ADN8830利用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器 ， 将被控环境的温度信号转化为电压信号 ， 并将此温度电压信号输入到温度测量放大器进行放大。 然后与设定的目标温度电压值进行比较产生误差信号。 此误差信号经过补偿放大器进行积分放大后传到脉宽调制线性放大器进一步放大 ， 然后输出两组信号推动温度控制的执行驱动器如功率管。 由功率管输出的电流促使 TEC 进行制热或制冷。 使被控制的环境温度向目标温度值靠近。 传感器再实时地将感应到的环境温度信号传递给温度信号放大器 ， 如此形成一个闭环 控回路。 此过程是周而复始 ， 不间断地进行着。 当被控环境的温度离目标温度较远时 ， 控制器以最大输出电压方式工作 ， 此最大输出电压由 VLIM引脚来设定 ； 当接近目标温度时 ， 驱动功率管的信号采用 PWM (脉宽调制 ) 方式调节 ，从而调节加在 TEC两端的电压 ， 使 TEC的制冷或制热功率适应环境温度的变化而变换 ， 促使被控环境温度逐渐逼近目标温度。 3. 功率驱动 H 桥模块 功率驱动 H桥模块 的 电路中 ， 采用 MOSFET功率管 H桥输出驱动替代常用的线性调整功率管驱动 ， 这是降低功耗的关键部分。 由于采用低导通电阻的 MOSFET功率管 ，输出驱 动消耗在驱动器上的无用功耗就大大减少。 H桥同时控制 TEC电流的方向和大小。 当目标物体的温度低于设定点温度时 ， H桥朝 TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流 ； 当目标物体的温度高于设定点温度时 ， H桥会减少 TEC的电流甚至反转 TEC的电流方向来降低目标物体温度。 方案对比与选择 方案一 的 优点是硬件电路组成简单，只需要由热敏电阻、放大电路、 ADC组成的温度采集电路与 H桥功率驱动电路即可完成整个硬件设计。 13 方案一 的 缺点是软件 PID算法实现复杂，需要一个精确的温度采集电路。 同时单片机需要不停的根据采集回来的温度 计算输出相应 PWM，占用比较多单片机资源。 在激光器中单片机可能还需要实现对 LD的功率频率的调制控制，所以温控系统最好能硬件独立完成调节控制。 方案二 的 优点是温度控制反馈调节部分采用 ADI 公司的 ADN8830TEC控制芯片，能精确实现温度的调节控制。 ADN8830 芯片是一种具有高输出效率的开关模式的单芯片 TEC 控制器，但与 PWM驱动开关输出的 TEC 控制器结构采用完全对称的 H桥不同的是， ADN8830 采用一半开关输出，一半线性输出的方式。 种包含线性和开关输出方式的专利技术可以减少一半的输出电流纹波，也 可以减少一些外围器件，同时还可以提高效率。 相比方案一， 方案二电路稍微复杂，但是对单片机资源暂用很少，软件编程也容易实现。 综上所述，从 实际应用出发， 为了能 精确实现温度的调节控制 ，最终 选择方案二。 系统方案设计 经过 ，最终确定选择方案二实现系统设计， 系统 总体结构框图 如 图。 系统设计包括硬件设计和软件设计， 系统 硬件又 可以 划 分为三 个 部分： ； ； H桥电路。 系统软件设计主要指主控制器单片机的软件设计。 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 图 系统总体结构框图 控制面板 部分的 控制核心为 MSP430F149单片机， 外扩 显示 器 12864LCD，独立按键，温度传感器 DS18B20，数模转换器 DAC8571。 用户可以通过控制面板上的键盘设置目标温度， 再由 单片机通过 DAC8571向 ADN8830的 TEMPSET脚发送一个对应的电压信号。 DS18B20用以监控被控温器件表面温度。 TEC(Thermo Electric Cooler)是用两种不同半导体材料 (P型和 N型 )组成 PN 结 , 当 PN结中有直流电通过时 , 由于两种材料中的电子和空穴在跨越 PN结移动过程中的吸热或放热效应 (帕尔帖效应 ),就会使 PN结表现出制冷或制热效果 , 改变电流方向即可实现 TEC的制冷或制热 ,调节电流大小即可控制制热制冷量输出。 利用 TEC稳定目标14 温度的方法如图。 比 较 电 路 误 差 放 大 补 偿 网 络 H 桥T E C温 度 传 感 器 目 标 器 件图 TEC控制原理 图 ， TEC上方是温度传感器与目标器件。 这个传感器是用来测量安放在 TEC端的目标物体的温度。 期望的目标物体温度是用一个设定 点电压来表示 , 与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较 , 然后产生误差电压。 这个电压通过高增益的放大器放大 , 同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿 , 然后再驱动 H桥输出 , H桥同时控制 TEC电流的方向和大小。 当目标物体的温度低于设定点温度时 , H桥朝 TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流。 当目标物体的温度高于设定点温度时 , H桥会减少 TEC的电流甚至反转 TEC的电流方向来降低目标物体温度。 当控制环路达到平衡时 ， TEC的电流方向和幅值就调整好了 , 目标物体温度也 等于设定的温度。 在该设计中 ， 对于 TEC的控制选用 ADI公司的 TEC控制器 ADN8830。 ADN8830是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率、高性能的 TEC功率驱动模块之一 , 用于设定和稳定 TEC的温度 , 在典型应用中 ,最大温漂电压低于 250mV, 能够使目标温度误差低于 177。 ℃。 每个加载在 ADN8830 输入端的电压对应一个目标温度设定点。 适当的电流通过 TEC将驱动 TEC对需要控温器件供热或制冷。 需要空温器件的温度由负温度系数热敏电阻来测量并反馈给 ADN8830, 用于调整系统回路和驱动 TEC工作。 ADN8830可以驱动用来给 TEC提供电流的外部 MOS管。 H桥驱动电路 可以 由 2片FDW2520C芯片组成。 每片 FDW2520C芯片集成了一个 N沟道和一个 P沟道的 MOSFET 开关管。 在需要控温的物体表面紧贴温度传感器 DS18B20，传感器测得的温度在12864LCD 上显示出来，达到监控目标温度的目的。 温度监控及温度设定操作界面如图 所示。 图 温度监控及设定温度操作界面 在对主控制器单片机的软件进行详细设计前，首先要确定软件主程序的执行流15 程，如 图 所示。 初 始 化开 机 页 面操 作 界 面 显 示是 否 有 键 按 下读 取 温 度刷 屏 标 志 变 量 是 否 为 1刷 新 显 示清 零 标 志获 取 键 值 按键 标 志 位 置 1是 否 有 键 按 下光 标 显 示 及 系 统功 能 处 理是 否 需 要 向 D A C 发 送 数 据D A C 操 作否否否否是是是是 图 主程序流程图 16 第三章 系统硬件设计 引言 本章介绍了系统硬件各个组成部分的设计，包括系统电源、单片机最小系统、单片机外围电路、 ADN8830 及其外围电路、 H 桥电路的设计。 系统电源设计 整个系统的电源部分是使用一个 5V/5A 的开关电源，接入系统后进一步进行滤波与电平转换等处理。 系统中单片机 MSP430 部分是 ，其它部分都是 5V供电。 所以需要电平转换，使用 SPX1117 稳压芯片把 5V电源转换成。 其 电路结构如图 所示。 图 5V/ 电平转换电路原理图 ADN88 DAC8571 及 TEC 驱动是 5V供电，两款 IC 都是需要一个稳定的电源才能正常工作，并且电源的稳定性直接影响到控温的精度。 所以需要对开关电源的输出进一步进行消除电压纹波的处理。 具体电路设计如图 所示。 17 图 电源滤波处理电路 单片机及其外围电路设计 单片机及其外围电路包括单片机的最小系统、液晶显示 LCD1286独立按键、温度传感器 DS18B20 如图 所示。 按 键单 片 机M S P 4 3 0 F 1 4 9L c d 1 2 8 6 4温 度 传 感 器D S 1 8 B 2 0 图 单片机及其外围电路组成框架 下面对单片机及其外围电路的各部分设计进行详细介绍。 单片机 MSP430F149 及其最小系统的设计 单片机采用的是 MSP430F149，这是一款 TI公司生产的 MSP430 系列 16位单片机。 片内有精密硬件乘法器、两个 16 位定时器、一个 14 路的 12位的模数转换器、一个看门狗、 6路 P口、两路 USART通信端口、一个比较器。