WORD格式整理版/基于ADN8830的半導體溫度控制系統(tǒng)摘要本設計提出一種基于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、電阻構成的外部PID<比例積分微分>補償網(wǎng)絡,能夠使目標溫度在30s內穩(wěn)定在最佳工作點,溫度控制精度可0.1℃?？刂坪诵牟捎肕SP430單片機,單片機通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20讀取當前溫度,通過DAC輸出電壓控制信號給ADN8830來調節(jié)流過TEC的電流。實驗結果表明該方案具有效率高、功耗低、體積小等優(yōu)點。關鍵詞：ADN8830;TEC;溫度控制;MSP430;PIDApplicationofADN8830inAutomaticTemperatureControlofTECAbstractAThermo-ElectricCooler<TEC>controlcircuitofhighperformanceandstabilityispresented,whichisdevelopedbyathermoelectriccoolercontroller,namedADN8830,producedbyAnalogDevicesInc.AnoutsideProportionIntegralDifferential<PID>compensationnetworkconstructedbysimplecapacitancesandresistors,whichcanmakethetemperatureofdetectorreachtheoptimumoperatingpointin30sandtheprecisionofthiscontrolcircuitis0.1℃.TheMSP430microcontrollerimplementsacontrollerusingadigitaltemperaturesensorDS18B20toreadthecurrenttemperature,adigital-to-analogconverterDAC8571tooutputacontrolsignaltoADN8830whichadjuststhecurrentthroughtheTEC.Theexperimentalresultsshowthatthisschemeoftemperaturecontrolhastheadvantageofhigheffectiveness,lowpowerandcompactsize.Keywords:ADN8830;TEC;temperaturecontrol;MSP430;PID目錄TOC\o"1-4"\h\u第一章緒論51.1課題研究背景及意義51.2半導體制冷原理51.3半導體制冷技術的國內外發(fā)展71.4論文主要研究內容及章節(jié)分布8第二章系統(tǒng)方案設計92.1系統(tǒng)設計要求92.2系統(tǒng)方案設計9設計方案一92.2.2設計方案二112.2.3方案對比與選擇122.3系統(tǒng)方案設計13第三章系統(tǒng)硬件設計163.1引言163.2系統(tǒng)電源設計163.3單片機及其外圍電路設計17單片機MSP430F149及其最小系統(tǒng)的設計17液晶顯示器LCD12864的設計18獨立式按鍵的設計20測溫電路的設計203.4ADN8830及其外圍電路設計21芯片介紹22溫度采集與溫度設定電路設計23選頻網(wǎng)絡設計26補償網(wǎng)絡設計27其他外圍電路設計293.5功率驅動H橋模塊的設計29第四章軟件設計324.1引言324.2設計調試環(huán)境及工具324.3主程序的設計334.4LCD12864顯示子程序的設計404.5時間顯示子程序的設計424.6按鍵子程序的設計444.7DS18B20子程序的設計454.8DAC8571子程序的設計48第五章實驗與驗證515.1引言515.2硬件調試52電源電壓穩(wěn)定性紋波特性測試52輸出精度測試52橋輸出紋波測試52滿功率工作時通過TEC的平均電流,及TEC兩端的電壓。52溫度與DAC輸出電壓關系的標定525.2.6TEC的安裝及散熱條件測試525.3軟件調試53顯示實驗：53時間顯示程序實驗53按鍵調試實驗54溫度采集調試實驗54溫度設置功能調試實驗55控制調試實驗56第六章總結與展望57參考文獻58致謝59附錄60系統(tǒng)源代碼60第一章緒論1.1課題研究背景及意義由于體積小、功耗低、壽命長和易于調制,半導體激光器<LaserDiode>作為一種新型激光光源已廣泛應用于通訊、醫(yī)療和測量等各個領域。LD易于調制的特點在于LD的輸出波長易受溫度和注入電流的影響。普通LD的電流調制系數(shù)約為0.025nm/mA,溫度調制系數(shù)約為0.3～0.4nm/℃。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用中,必須對LD溫度進行精確控制。在應用中,希望激光器啟動后以最短的時間達到熱平衡過程,系統(tǒng)迅速進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。為此,需要在保證系統(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),以達到快速啟動的目的?；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。TEC即半導體致冷器,由于其體積小,無機械轉動部件和噪聲,能加熱和制冷,并且不需要使用制冷劑以及使用壽命長的優(yōu)點,在實驗技術、醫(yī)療技術、航天航空、船舶等的溫度控制領域得到了廣泛應用。但制冷系數(shù)低和制冷量小的不足限制了它的廣泛應用。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。選用半導體制冷/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。半導體制冷片的實物如圖1.1所示。圖1.1半導體制冷片實物圖本文提供的設計方案能為很多類似小功率半導體激光器的需要精確溫度控制場合提供有效支持。1.2半導體制冷原理在原理上,半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成的熱電偶對中有電流通過時,兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉移,熱量就會從一端轉移到另一端,從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻當電流經(jīng)過半導體時就會產(chǎn)生熱量,從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差,這兩種熱傳遞的量相等時,就會達到一個平衡點,正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達到更低的溫度,可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現(xiàn)。風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導體制冷片冷熱端的溫差可以達到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的下降,從而達到更低的溫度。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成電偶對時,在這個電路中接通直流電流后,就能產(chǎn)生能量的轉移,電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量,成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量,成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料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。1.塞貝克效應〔SEEBECKEFFECT一八二二年德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)當兩種不同的導體相連接時,如兩個連接點保持不同的溫差,則在導體中產(chǎn)生一個溫差電動勢：<1.1>式中：ES為溫差電動勢S為溫差電動勢率〔塞貝克系數(shù)△T為接點之間的溫差2.珀爾帖效應〔PELTIEREFFECT一八三四年法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應的相反效應,即當電流流經(jīng)兩個不同導體形成的接點時,接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象,放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。<1.2>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3.湯姆遜效應〔THOMSONEFFECT當電流流經(jīng)存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差為△T的導體兩點之間,其放熱量或吸熱量為：<1.3>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1.3半導體制冷技術的國內外發(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體材料,因此也被稱為半導體制冷。是在1834年發(fā)現(xiàn)的帕耳帖效應的熱力學原理基礎上發(fā)展起來的一門新型的制冷方式。它是利用半導體材料組成PN結,通過給其兩端施加直流電進行制冷。熱電制冷器是利用電能直接實現(xiàn)熱能傳遞的一種特殊半導體器件。同一般機械制冷相比,不需要馬達、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、制冷劑及其傳輸管路。除此之外,它還具有結構緊湊、體積小、壽命長、制冷迅速、冷熱轉換快、操作簡單、無環(huán)境污染等優(yōu)點。開辟了制冷技術的一個獨特新分支。但由于當時只能使用熱電性能差的金屬和合金材料,能量轉換的效率很低,例如,當時曾用金屬材料中熱電性能最好的銻鉍<SbBi>熱電偶做成熟電發(fā)生器,其效率還不到l％。因此,熱電效應在制冷技術上沒有實際應用。直到第二次世界大戰(zhàn)后,蘇聯(lián)科學院半導體研究所,約飛院士對半導體進行了大量研究,于一九五四年發(fā)表了研究成果,表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差制冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應用后,有眾多的學者進行研究到六十年代半導體制冷材料的優(yōu)值系數(shù),才達到相當水平,得到大規(guī)模的應用,也就是我們現(xiàn)在的半導體制冷片件。為使該方面的技術得到廣泛應用,世界各國均投入了不少力量進行材料、工藝以及制冷技術等方面的理論和應用研究,GE和WH等四家大公司同時對美國海軍提出的核潛艇空調和制冷系統(tǒng)熱電化進行了不同類型和系統(tǒng)的樣機研制,大大推進了熱電制冷技術在這方面的發(fā)展。中國在半導體制冷技術開始于50年代末60年代初,當時在國際上也是比較早的研究單位之一,60年代中期,半導體材料的性能達到了國際水平,60年代末至80年代初是我國半導體制冷片技術發(fā)展的一個臺階。在此期間,一方面半導體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高,另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力,獲得了半導體制冷片,因而才有了現(xiàn)在的半導體制冷片的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開發(fā)和應用。當前,國外專門從事半導體制冷器生產(chǎn)的廠家以MARLOW、MELCOR、CAMBION三家公司最具代表性。熱電制冷具有諸多特點,應用開發(fā)幾乎涉及所有制冷領域,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。它在國防、科研、工農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到了廣泛應用,用于儀器儀表、電子元件、藥品、疫苗等的冷卻、加熱和恒溫。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、旅游汽車冷熱兩用箱、半導體空調器、軍用和醫(yī)用制冷帽、自內障摘除器、病理切片冷凍臺、潛艇空調器等。半導體制冷器未來將向大功率與微小型方向發(fā)展,尤其在民用和其它市場開發(fā)項目中。在日益發(fā)展的高科技領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的特殊優(yōu)越條件和不可替代性?？梢陨钚?半導體制冷技術在未來將得到更廣泛的應用。1.4論文主要研究內容及章節(jié)分布本文主要針對半導體制冷TEC精確溫控進行了研究,主要分硬件設計和軟件設計兩部分,全文共分六章,每章的題目及具體內容如下：第一章緒論,主要介紹了課題研究背景和研究意義,以及半導體制冷技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀。第二章整體方案設計,主要進行了方案的論證與對比,同時對整體方案的設計進行了簡單的介紹。第三章硬件電路設計,主要介紹了單片機及其外圍電路的設計,ADN8830及其外圍電路的設計,功率驅動電路H橋的設計。第四章軟件設計,主要介紹了主函數(shù)的設計,各部分功能模塊程序的設計。第五章實驗與驗證,主要介紹了整個系統(tǒng)的實驗調試過程,包括硬件設計調試,軟件的設計與調試。第六章總結與展望,主要對全文工作進行了總結,并對研究工作進行了展望。第二章系統(tǒng)方案設計2.1系統(tǒng)設計要求設計一套用ADN8830驅動的TEC溫度自動控制電路,采用單片機作為控制器,并達到以下要求：1.溫度檢測精度至少達到0.5℃2.目標溫度控制穩(wěn)定性達到0.5℃；3.環(huán)境溫度與預設溫度相差5℃4.能通過按鍵預設溫度,并將預設溫度和當前溫度顯示在LCD顯示器上。2.2系統(tǒng)方案設計為了完成2.1節(jié)提出的系統(tǒng)設計要求,在參考相關資料的基礎上,提出了以下兩個設計方案。設計方案一此方案核心是采用單片機數(shù)字PID方法達到調控溫度目的。熱敏電阻將溫度轉換成電壓,經(jīng)溫度采集電路放大、濾波后,送A/D轉換器采樣、量化,量化后的數(shù)據(jù)送單片機做進一步處理；當前溫度數(shù)據(jù)和設定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)PID算法得到溫度控制數(shù)據(jù)；調制的控制信號經(jīng)功率驅動電路控制半導體致冷器加熱或制冷,從而實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。在方案一中,系統(tǒng)主要由以下三部分組成：1.溫度采集,2.模糊PID算法,3.功率驅動電路。方案一的系統(tǒng)組成原理框架如圖2.1所示。下面分別對每個部分進行說明。圖2.1方案一的系統(tǒng)組成框架圖1.溫度采集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。因為溫度變化并不是很快,所以電路對濾波器的要求并不高,采用了一階濾波即可滿足要求。2.溫度PID控制由單片機采用模糊PID算法,通過Pvar、Ivar、Dvar〔比例、積分、微分三方面的結合調整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。方案一的溫度控制原理如下：本系統(tǒng)的溫度控制器的制熱/制冷元件是TEC。TEC通過電流制熱/制冷時,熱層結構存在梯形溫差,越靠近TEC部分溫度越高/低。當目標溫度升高/降低至設定溫度時,溫度控制器會發(fā)出信號停止制熱/制冷。但這時靠近TEC熱層的溫度會高于設定溫度,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。當下降/上升到設定溫度的下限/上限時,溫度控制器又開始發(fā)出制熱/制冷的信號,開始制熱/制冷,但TEC要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時間,這就要視TEC與被加熱器件之間的介質情況而定。通常開始重新制熱/制冷時,溫度繼續(xù)下降/上升幾度。所以,傳統(tǒng)的定點開關控制溫度會有正負誤差幾度的現(xiàn)象,但這不是溫度控制器本身的問題,而是整個熱系統(tǒng)的結構性問題,使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。增量式PID算法的輸出量為：ΔUn=Kp[<en-<en-1>>+<T/Ti>en+<Td/T><<en-2>*<en-1>+en-2>]〔2.1式中,en、<en-1>、<en-2>分別為第n次、n-1次和n-2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。單片機每隔固定時間T將現(xiàn)場溫度與設定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式,由公式輸出量決定PWM方波的占空比,后續(xù)加熱電路根據(jù)此PWM方波的占空比決定加熱功率?，F(xiàn)場溫度與目標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,直至目標值與實測值相等,達到自動控制的目的。3.功率驅動電路功率驅動電路采用H橋電路,由單片機輸入的PWM控制信號通過對MOS管的開關控制達到調節(jié)TEC功率跟電流方向的目的。設計方案二此方案是采用AND8830為核心器件來達到調控溫度的目的。ADN8830是一個TEC控制器,用于設定和穩(wěn)定TEC的溫度。每個加載在ADN8830輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅動TEC供熱或是制冷。器件的溫度由一個熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830,用于調整系統(tǒng)回路和驅動TEC工作。ADN8830集成了精密的輸入放大器用以準確測量目標溫度和器件實際溫度之間的差別；補償放大器用以優(yōu)化TEC對溫度間隔的反應和一個高輸出電流用以滿TEC工作的電流。同時TEC控制器能讓TEC高效率工作以減小熱量,在達到目標溫度系統(tǒng)穩(wěn)定后應該有相應指示。溫度的設定采用一個DAC提供,用戶可以通過操作面板按鍵輸入想要設定的目標溫度。反饋給AND8830的電壓信號是用一個負溫度系數(shù)熱敏電阻〔NTC跟一分壓電阻串聯(lián)的結構。器件的實際溫度是用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量,并且把即時溫度顯示在控制面板的LCD上。TEC的驅動使用兩片F(xiàn)DW2520C管構成的H橋電路。在方案二中,系統(tǒng)可以分為以下三部分：1.控制面板部分；2.ADN8830控制部分；3.功率驅動H橋電路。方案二的系統(tǒng)組成框架如圖2.3所示。下面分別對每個部分進行說明。圖2.3方案二系統(tǒng)組成框架圖1.控制面板控制面板以單片機MSP430為控制核心,包括顯示模塊,按鍵模塊,DAC模塊,測溫模塊。控制面板主要負責按鍵設定目標溫度通過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。用戶可以在控制面板的液晶屏上很直觀的進行溫度設定,并且觀察機殼表面實際溫度值。2.ADN8830控制電路ADN8830控制電路的結構框架如圖2.4所示。圖2.4ADN8830控制電路的結構框架主要由以下幾個部分組成：<1>高精度、低溫漂的溫度信號測量誤差放大器<2>補償放大器<3>參考電源發(fā)生器<4>振蕩器<5>PWM<脈寬調制>控制器<6>MOSFET<場效應管>驅動器。ADN8830利用負溫度系數(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。然后與設定的目標溫度電壓值進行比較產(chǎn)生誤差信號。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)行驅動器如功率管。由功率管輸出的電流促使TEC進行制熱或制冷。使被控制的環(huán)境溫度向目標溫度值靠近。傳感器再實時地將感應到的環(huán)境溫度信號傳遞給溫度信號放大器,如此形成一個閉環(huán)控回路。此過程是周而復始,不間斷地進行著。當被控環(huán)境的溫度離目標溫度較遠時,控制器以最大輸出電壓方式工作,此最大輸出電壓由VLIM引腳來設定；當接近目標溫度時,驅動功率管的信號采用PWM<脈寬調制>方式調節(jié),從而調節(jié)加在TEC兩端的電壓,使TEC的制冷或制熱功率適應環(huán)境溫度的變化而變換,促使被控環(huán)境溫度逐漸逼近目標溫度。3.功率驅動H橋模塊功率驅動H橋模塊的電路中,采用MOSFET功率管H橋輸出驅動替代常用的線性調整功率管驅動,這是降低功耗的關鍵部分。由于采用低導通電阻的MOSFET功率管,輸出驅動消耗在驅動器上的無用功耗就大大減少。H橋同時控制TEC電流的方向和大小。當目標物體的溫度低于設定點溫度時,H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅動電流；當目標物體的溫度高于設定點溫度時,H橋會減少TEC的電流甚至反轉TEC的電流方向來降低目標物體溫度。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橋功率驅動電路即可完成整個硬件設計。方案一的缺點是軟件PID算法實現(xiàn)復雜,需要一個精確的溫度采集電路。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PWM,占用比較多單片機資源。在激光器中單片機可能還需要實現(xiàn)對LD的功率頻率的調制控制,所以溫控系統(tǒng)最好能硬件獨立完成調節(jié)控制。方案二的優(yōu)點是溫度控制反饋調節(jié)部分采用ADI公司的ADN8830TEC控制芯片,能精確實現(xiàn)溫度的調節(jié)控制。ADN8830芯片是一種具有高輸出效率的開關模式的單芯片TEC控制器,但與PWM驅動開關輸出的TEC控制器結構采用完全對稱的H橋不同的是,ADN8830采用一半開關輸出,一半線性輸出的方式。種包含線性和開關輸出方式的專利技術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。相比方案一,方案二電路稍微復雜,但是對單片機資源暫用很少,軟件編程也容易實現(xiàn)。綜上所述,從實際應用出發(fā),為了能精確實現(xiàn)溫度的調節(jié)控制,最終選擇方案二。2.3系統(tǒng)方案設計經(jīng)過2.2節(jié)系統(tǒng)方案論證與對比,最終確定選擇方案二實現(xiàn)系統(tǒng)設計,系統(tǒng)總體結構框圖如圖2.5所示。系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計,系統(tǒng)硬件又可以劃分為三個部分：a.控制面板部分；b.ADN8830控制部分；c.功率驅動H橋電路。系統(tǒng)軟件設計主要指主控制器單片機的軟件設計。圖2.5系統(tǒng)總體結構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)模轉換器DAC8571。用戶可以通過控制面板上的鍵盤設置目標溫度,再由單片機通過DAC8571向ADN8830的TEMPSET腳發(fā)送一個對應的電壓信號。DS18B20用以監(jiān)控被控溫器件表面溫度。TEC<ThermoElectricCooler>是用兩種不同半導體材料<P型和N型>組成PN結,當PN結中有直流電通過時,由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中的吸熱或放熱效應<帕爾帖效應>,就會使PN結表現(xiàn)出制冷或制熱效果,改變電流方向即可實現(xiàn)TEC的制冷或制熱,調節(jié)電流大小即可控制制熱制冷量輸出。利用TEC穩(wěn)定目標溫度的方法如圖2.6所示。圖2.6TEC控制原理圖2.6中,TEC上方是溫度傳感器與目標器件。這個傳感器是用來測量安放在TEC端的目標物體的溫度。期望的目標物體溫度是用一個設定點電壓來表示,與溫度傳感器產(chǎn)生的代表實際目標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。這個電壓通過高增益的放大器放大,同時也對因為目標物體的冷熱端引起的相位延遲進行補償,然后再驅動H橋輸出,H橋同時控制TEC電流的方向和大小。當目標物體的溫度低于設定點溫度時,H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅動電流;當目標物體的溫度高于設定點溫度時,H橋會減少TEC的電流甚至反轉TEC的電流方向來降低目標物體溫度。當控制環(huán)路達到平衡時,TEC的電流方向和幅值就調整好了,目標物體溫度也等于設定的溫度。在該設計中,對于TEC的控制選用ADI公司的TEC控制器ADN8830。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功率驅動模塊之一,用于設定和穩(wěn)定TEC的溫度,在典型應用中,最大溫漂電壓低于250mV,能夠使目標溫度誤差低于±0.01℃。每個加載在ADN8830輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅動TEC對需要控溫器件供熱或制冷。需要空溫器件的溫度由負溫度系數(shù)熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830,用于調整系統(tǒng)回路和驅動TECADN8830可以驅動用來給TEC提供電流的外部MOS管。H橋驅動電路可以由2片F(xiàn)DW2520C芯片組成。每片F(xiàn)DW2520C芯片集成了一個N溝道和一個P溝道的MOSFET開關管。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,達到監(jiān)控目標溫度的目的。溫度監(jiān)控及溫度設定操作界面如圖2.7所示。圖2.7溫度監(jiān)控及設定溫度操作界面在對主控制器單片機的軟件進行詳細設計前,首先要確定軟件主程序的執(zhí)行流程,如圖2.8所示。圖2.8主程序流程圖第三章系統(tǒng)硬件設計3.1引言本章介紹了系統(tǒng)硬件各個組成部分的設計,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橋電路的設計。3.2系統(tǒng)電源設計整個系統(tǒng)的電源部分是使用一個5V/5A的開關電源,接入系統(tǒng)后進一步進行濾波與電平轉換等處理。系統(tǒng)中單片機MSP430部分是3.3V供電,其它部分都是5V供電。所以需要電平轉換,使用SPX1117穩(wěn)壓芯片把5V電源轉換成3.3V。其電路結構如圖3.1所示。圖3.15V/3.3V電平轉換電路原理圖ADN8830、DAC8571及TEC驅動是5V供電,兩款IC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。所以需要對開關電源的輸出進一步進行消除電壓紋波的處理。具體電路設計如圖3.2所示。圖3.2電源濾波處理電路3.3單片機及其外圍電路設計單片機及其外圍電路包括單片機的最小系統(tǒng)、液晶顯示LCD12864、獨立按鍵、溫度傳感器DS18B20如圖3.3所示。圖3.3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計進行詳細介紹。單片機MSP430F149及其最小系統(tǒng)的設計單片機采用的是MSP430F149,這是一款TI公司生產(chǎn)的MSP430系列16位單片機。片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器。MSP430F149有三個時鐘源,兩個時鐘源是外部提供,一個內部時鐘源。分別為LFXT1CLK:低頻/高頻時鐘源,由外接晶體振蕩器,而無需外接兩個振蕩電容器；XT2CLK:高頻時鐘源,由外接晶體振蕩器,需要外接兩個振蕩電容器；DCOCLK:數(shù)字可控制的RC振蕩器,是集成在單片機內部無需外接。所以其外部時鐘電路有兩個晶振,分別選擇32.768KHz與8MHz。最小系統(tǒng)由復位電路、外部時鐘電路與單片機組成,其具體電路設計如圖3.4。圖3.4單片機最小系統(tǒng)液晶顯示器LCD12864的設計顯示模塊采用的是LCD12864。FYD12864-0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內置8192個16*16點漢字,和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。通信可以選擇并口方式,也可以選擇串口方式,MSP430有豐富的IO口資源,所以這里選擇并口方式。并口方式的接口說明如表3.1所示。表3.1LCD12864并口通信接口說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1GND0V電源地2VCC3.0+5V電源正3VL-對比度〔亮度調整4RS<CSH/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15CS1H/LH：8位或4位并口方式,L：串口方式16CS2空腳17RESETH/L復位端,低電平有效18VEE-LCD驅動電壓輸出端19BL+VDD背光源正端〔+5V20BL-VSS背光源負端LCD12864與MSP430F149單片機的接口設計：控制腳RS、RW、EN、分別與P63、P64、P65連接,并行數(shù)據(jù)口與P2口相連接,原理圖如圖3.5所示。圖3.5LCD12864與單片機的接口電路獨立式按鍵的設計為了簡化操作,系統(tǒng)只需要使用3個按鍵即可完成對溫度的設定與對模數(shù)轉換芯片DAC8571的控制。采用了3個獨立式按鍵,分別是K1、K2、K3。他們功能分別為：K1控制光標的上下移動；K2控制光標的左右移動；K3為功能鍵。當光標位置停留在溫度設定的某一位數(shù)字下時,按下功能鍵能讓數(shù)字增一,當光標位置停留在"發(fā)送確定"欄時,按下功能鍵,系統(tǒng)將對DAC8571進行通信,把設定溫度對應的數(shù)值,轉換的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC,DAC的輸出電壓跟著改變。獨立按鍵的接口設計：K1、K2、K3分別與單片機的P35、P34、P33相連,并且都需要分別連接一上拉電阻,具體電路如圖3.6所示。圖3.6獨立按鍵的接口電路測溫電路的設計為了驗證系統(tǒng)的運行效果,需要對控溫部件表面溫度進行精確的即時監(jiān)控。本系統(tǒng)設計目標精度為0.5℃,數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測量精度為0.5℃,分辨率為DSl8B20數(shù)字溫度計提供9與12位<二進制>溫度讀數(shù),指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出,因此從主機CPU到DSl8B20僅需一條線<和地線>。DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因為每一個DSl8B20在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號,因此任意多個DSl8B20可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl8B20的測量范圍從-55到+125,增量值為0.5℃,可在ls<典型值>內把溫度變換成數(shù)字。每一個DSl8B20包括一個唯一的64位長的序號,該序號值存放在DSl8B20內部的ROM<只讀存貯器>中。開始8位是產(chǎn)品類型編碼<DSl8B20編碼均為10H>,接著的48位是每個器件唯一的序號。最后8位是前面56位的CRC<循環(huán)冗余校驗>碼。DSl8B20中還有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM,編號為0號和1號。1號存貯器存放溫度值的符號,如果采用12位溫度讀數(shù),溫度為負<℃>,則1號存貯器高5位全為1,否則全為0。1號低3位與0號存貯器用于存放溫度值的補碼,LSB<最低位>的1表示0.0625℃。將存貯器中的二進制數(shù)求補,再轉換成十進制數(shù)并除以2就得到被測溫度值<-550——1每只DS18B20都可以設置成兩種供電方式,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)省一根導線,但完成溫度測量的時間較長。采取外部供電方式,則多用一根導線,但測量速度較快。DS18B20與單片機的接口電路設計如圖3.7所示。圖3.7DS18B20接口電路3.4ADN8830及其外圍電路設計ADN8830外圍電路由溫度采集電路、DAC溫度設定電路、PID補償網(wǎng)絡、頻率控制網(wǎng)絡4部分組成。ADN8830內部結構主要由以下幾部分組成：1.高精度、低溫漂的溫度信號測量誤差放大器2.補償放大器3.參考電源發(fā)生器4.振蕩器5.PWM控制器6.MOSFET驅動器ADN8830內部結構及其外部電路的結構如圖3.8所示。圖3.8ADN8830外圍電路及其內部組成結構框架DN8830芯片介紹ADI公司的ADN8830芯片是一種具有高輸出效率的開關模式的單芯片TEC控制器,但與PWM驅動開關輸出的TEC控制器結構采用完全對稱的H橋不同的是,ADN8830采用一半開關輸出,一半線性輸出的方式。這種包含線性和開關級輸出方式的專利技術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。當器件工作在大信號方式時,線性輸出級會工作在開關模式,根據(jù)TEC是工作在加熱還是制冷方式,輸出會飽和在某個電源電壓軌上。在小信號工作方式下,線性模式輸出級會工作在線性模式,從而為TEC在加熱和制冷方式間提供平滑的過渡。ADN8830的原理框圖如圖3.8所示。它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng),通過負溫度系數(shù)〔NTC熱敏電阻檢測需要控溫器件的溫度并將其轉換為電壓值,與來自于DAC的模擬輸入溫度設置電壓進行比較,產(chǎn)生一個誤差信號經(jīng)由PWM控制器驅動TEC來穩(wěn)定需要控溫器件的溫度。系統(tǒng)的反饋環(huán)路通過高穩(wěn)定性,低噪聲的PID〔比例-積分-微分補償網(wǎng)絡構成,通過調整PID參數(shù)可以改變系統(tǒng)響應特性。網(wǎng)絡器件參數(shù)可以根據(jù)實際應用場合計算出來。輸出電壓用來監(jiān)控發(fā)熱部件溫度和通過TEC的電壓,同時提供一個2.5V的參考電壓。ADN8830單芯片TEC控制器的主要優(yōu)點：1.控制精度高。采用高精度誤差放大器作為輸入級,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,在典型應用中,使目標溫度誤差低于±0.01℃2.系統(tǒng)功耗低,采用MOSFET開關管,導通時電阻很小,大大降低系統(tǒng)功耗；3.集成度高,它采用5mm×5mm的32腳LFCSP封裝,所有的控制器件都集成到一片芯片中。溫度采集與溫度設定電路設計ADN8830單芯片TEC控制器為完成控制,需要在THERMIN〔pin2輸入一個與被控溫器件當前溫度相對應的電壓信號,在THERMSET<pin4>腳輸入一個與設定溫度相對應的電壓信號。下面介紹接入這兩個引腳的溫度采集電路與溫度設定電路。1.溫度采集電路的設計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。設計電路采用10KΩ負溫度系數(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℃表3.2熱敏電阻溫度與阻值對應關系表T<℃>R<KΩ>T<℃>R<KΩ>T<℃>R<KΩ>20.012.492227.09.164234.06.802620.512.213827.58.967734.56.662221.011.942528.08.776035.06.525121.511.677828.58.588935.56.391222.011.419829.08.406336.06.260422.511.168129.58.228136.56.132623.010.922730.08.054137.06.007723.510.683430.57.884237.55.885824.010.449931.07.718438.05.766624.510.222231.57.556538.55.650125.010.000032.07.398539.05.536325.59.783332.57.244239.55.425126.09.571833.07.093540.05.316426.59.365533.56.9463ADN8830集成了一個精密的參考電壓發(fā)生器,在VREF腳會輸出一個穩(wěn)定的2.5V參考電壓。所以溫度采集電路直接接在該引腳上,負溫度系數(shù)熱敏電阻〔NTC與一個7.68KΩ的精密電阻串聯(lián),構成一分壓結構。具體電路結構如圖3.9所示〔P2為熱敏電阻NTC的插座。圖3.9溫度采集電路2.溫度設定電路溫度的設定采用一高精度低功耗的16位數(shù)模轉換器DAC8571送給ADN8830的TEMPSET腳一個與設定溫度值對應的電壓信號。DAC8571采用I2C通信,設計中采用IO口模擬I2C通信,SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳、SCL串行時鐘輸入腳分別與單片機的P33、P35相連。DAC電源采用5V供電,用一個10uF與一個104電容做簡單濾波。A0地址腳接地。VREF接到ADN8830的2.5V基準電源輸出腳VREF〔pin7腳。電壓輸出腳VOUT與ADN8830的溫度設定腳TEMPSET腳相連接,用以設定目標溫度。具體的溫度設定電路如圖3.10所示。圖3.10溫度設定電路當溫度采集電路中得到的電壓信號,即接到ADN8830溫度電壓信號輸入腳TEMPIN的電壓信號與溫度設定腳TEMPSET的輸入電壓值相等時,誤差放大器的輸出為零,此時目標溫度就已經(jīng)達到了設定的溫度。判斷ADN8830的5腳〔TEMPLOCK的邏輯輸出就可以判斷目標溫度是否已經(jīng)達到。當達到目標溫度時,輸出高電平,發(fā)光二極管D1發(fā)光。電路如圖3.9溫度采集電路所示。所以,每個設定的溫度值對應一個DAC的輸出電壓。該電壓值等于在該設定溫度下,溫度采集電路中NTC分壓得到的電壓值。因為采用的DAC是16位DAC所以得發(fā)送給DAC的數(shù)據(jù)D的計算公式：D=<R/<R+7.68>>*65536。設定溫度值與NTC阻值、DAC輸出電壓值、發(fā)送給DAC數(shù)據(jù)D的對應關系表如表3.3所示。表3.3設定溫度值與DAC電壓值對應關系表公式：D=<R/<R+7.68>>*65536Vref=2.5V溫度〔℃NTC阻值〔ΩD16位轉換DAC電壓值〔V25103706790CB1.413925.59.7833367148F1.4005269.5718363618E091.387126.59.3655360088CA81.3736279.1642356558B471.360127.58.96773530289E61.3467288.7763495088861.333228.58.58893459887261.3198298.40633424785C71.306429.58.22813389784691.2931308.054133547830B1.279730.57.88423319881AE1.2664317.71843284980511.253131.57.5565325027EF61.2399327.3985321567D9C1.226732.57.2442318117C431.2135337.0935314677AEB1.200433.56.94633112479941.1873346.802630782783E1.174234.56.66223044276EA1.1613356.52513010375971.148335.56.39122976674461.1355366.26042943172F71.122736.5691.1099376.007728764705C1.097337.55.8858284346F121.0847385.7666281056DC91.072138.55.6501277786C821.0597395.536327452683C1.047239.55.42512712969F91.0349405.31642680868B81.0226選頻網(wǎng)絡設計選頻網(wǎng)絡就是設置PWM開關的工作頻率。當電路工作于開關模式時,可以提高電源的利用率。開關頻率越大,紋波濾波器的設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計。但是H橋MOSFET功率管的開關損耗是隨著頻率的增加而增加。如圖3.11所示,N2A和N2B兩管工作于開關狀態(tài),N3A和N3B工作于固定的導通或截止狀態(tài)。因此,工作時N2A和N2B的結電容被反復地充電和放電,其消耗的能量可簡單用下式表達。 <3.1>由式<3.1>可知,PWM開關工作頻率越高,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,本設計將PWM開關工作頻率選擇1MHz左右。ADN8830具有內置振蕩器,使得PWM開關工作頻率設置比較方便,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開關工作頻率和式<3.2>進行計算而得。 <3.2>其中fCLK單位為Hz,在設計中考慮到TEC的特性與H橋中的濾波網(wǎng)絡設計,取fCLK=1MHz。一般情況下,一個4.7μF的電感L1、一個22μF的電容C2和1MHz的轉換頻率就可以保證通過TEC的最差電壓波動低于±0.5%。而H橋的另一側不需要附加電路。所以RfCLK取150kΩ。開關頻率與電阻RFCLK的關系如表3.4所示。表3.4頻率與電阻的關系表開關頻率fCLK電阻RfCLK100KHz1.5MΩ250KHz600KΩ500KHz300KΩ750KHz200KΩ1MHz150KΩID補償網(wǎng)絡設計PID補償電路是溫度控制環(huán)路中的關鍵環(huán)節(jié),是實現(xiàn)高精度控制的重要保障。PID的數(shù)學模型為： <3.3>式3.3中,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決定控制作用的強弱,Kp適當增大時,系統(tǒng)動作靈敏,速度加快,但Kp過大會導致動態(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行相應的控制,但是積分作用總是滯后于偏差,導致系統(tǒng)易于振蕩,被控變量波動很大。微分控制對誤差進行微分,對誤差的變化趨勢反應敏感,能夠加快系統(tǒng)響應,減小調節(jié)時間,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,其缺點是對干擾敏感。對PID補償電路的3個參數(shù)進行合理選取,以便達到最佳的綜合控制效果。ADN8830TEC控制器采用外部補償網(wǎng)絡,僅需要幾個電阻和電容,如圖3.11所示。不同的應用設計者可以根據(jù)自己的熱負載特性來調整補償網(wǎng)絡,從而達到最佳的溫度設定時間和穩(wěn)定性容限,但補償網(wǎng)絡的轉換周期對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。為了確保溫度控制的穩(wěn)定性,補償網(wǎng)絡的轉換周期必須小于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計網(wǎng)絡參數(shù)。針對圖3.11的PID網(wǎng)絡通?？梢酝ㄟ^以下調試步驟來優(yōu)化參數(shù):<1>將電容C9短路、C11開路,僅只留下電阻R6和R5構成一簡單的補償比例網(wǎng)絡；<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串接到補償網(wǎng)絡,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；<5>改變TEMPSET的電壓值來調節(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330pF～1nF的電容比較合適。圖3.11PID調節(jié)網(wǎng)絡參數(shù)整定本設計的溫度控制電路利用圖3.11的PID網(wǎng)絡結構實驗調試后,取C9=22uF,C10=330pF,C11=1uF,R7=1M,R5=1M,R6=100K時,系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標溫度的建立時間在10s以內,精度可達0.5℃圖3.12系統(tǒng)PID調節(jié)網(wǎng)絡電路圖其他外圍電路設計1.設置加在TEC上的最大電壓VTECMAX的設定通過設置P15引腳的VLIM電壓可以設置加在TEC兩端電壓的最大值。VTECMAX的值和VLIM的關系通過式3.4和圖3.11確定?！?.4設計要求TEC上所加電壓最大為5V,根據(jù)式3.4計算,則VLIM值應為0V。P15引腳端接地即可。為了保證ADN8830對施加在TEC上的電壓進行實時檢測,H橋的電感濾波輸出端<VA>應與ADN8830的P19腳相連,H橋的另一個輸出點<VB>應與ADN8830的第9腳相連。圖3.13TEC兩端電壓最大值與P15腳的電壓關系2.一些測試點的設計與說明具有溫度鎖定指示功能,當熱敏電阻檢測到的溫度達到設定溫度時,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設定溫度,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定0.1℃范圍TEC控制器溫度鎖定指示為0當管腳1<THERMFAULT>輸出高電平時,表示電路工作異常,發(fā)光二極管D2被點亮。3.5功率驅動H橋模塊的設計電路中采用MOSFET功率管H橋輸出驅動替代常用的線性調整功率管驅動,這是降低功耗的關鍵部分。由于采用低導通電阻的MOSFET功率管,輸出驅動消耗在驅動器上的無用功耗就大大減少。同時,采用H橋可以在不增加負電源的情況下,靈活地調整加在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3.14所示,TEC制冷器放置在H橋的中間,當N2A開關管有效導通、N2B開關管有效關閉、N3B常通、N3A常閉時,電流從TEC的/+0端經(jīng)TEC流向/-0端；當N2A開關管有效關閉、N2B開關管有效導通、N3B常閉、N3A常通時,電流從TEC的/-0端經(jīng)TEC流向/+0端。H橋的結構如圖3.15所示。圖3.14H橋結構圖設計時,為了提高電源效率、擴展散熱渠道以及使用靈活性和保護ADN8830,控制器ADN8830采用外接MOSFET功率管H橋。ADN8830可以驅動用來給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F(xiàn)DW2520C芯片集成了一個N溝道和一個P溝道的MOSFET開關管。電路工作與PWM控制模式中,輸出驅動為開關脈動電流,必需采用電感和電容對施加在TEC兩端的開關脈沖電流進行濾波,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開關頻率幾個因素限制。通過電感上的電流如圖3.15所示:ITEC為通過TEC上的電流,VIL為通過電感上的紋波電流。設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: <3.5>圖3.15通過電感的電流TEC上的電流為1A,若允許電流波動為±0.3A,則ΔIL為0.6A,也即通過電感的電流最大為1.3A。由式<3.5>式可知,若選擇的電感量越大,則通過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,本設計選擇電感量為4.7LH、額定電流為1.8A的微型片式電感,其直流電阻小于70mΩ。根據(jù)式<3.5>計算,若ΔIL允許為0.6A,電感為4.7LH時,fCLK應大于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0.05。阻尼因素可以簡單由式〔3.6確定。<3.6>通過對式〔3.6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的實際等效電阻>為2.58Ω,則阻尼系數(shù)為0.092,可以保證TEC建立時間的合理性。設計中H橋功率驅動電路如圖3.16所示。圖3.16H橋功率驅動電路第四章軟件設計4.1引言本章主要介紹各部分程序的設計,內容包括程序功能、流程、時序的說明及重要代碼等。完整程序清單見附錄。4.2設計調試環(huán)境及工具使用單片機為TI公司的16位MSP430F149單片機,調試環(huán)境為IAREmbeddedWorkbench5.30。調試環(huán)境如圖4.1所示。IARSystems是全球領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務的供應商。公司成立于1983年,提供的產(chǎn)品和服務涉及到嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)和測試的每一個階段,包括：帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發(fā)環(huán)境<IDE>、實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。它最著名的產(chǎn)品是C編譯器-IAREmbeddedWorkbench,支持眾多知名半導體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用IARSYSTEMS提供的開發(fā)工具,用以開發(fā)他們的前沿產(chǎn)品,從消費電子、工業(yè)控制、汽車應用、醫(yī)療、航空航天到手機應用系統(tǒng)。MSP430FLASH系列單片機支持在線仿真調試,這給軟件調試帶來了很大方便。圖4.1軟件調試環(huán)境IAREmbeddedWorkbench5.304.3主程序的設計1.程序流程圖：見圖2.82.程序功能：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,光標控制3.源代碼：/*******************************************函數(shù)名稱：voidmain〔功能：主函數(shù)參數(shù)：無返回值：無********************************************/#include<msp430x14x.h>#include"12864.h"#include"Initial_Clock.h"#include"time_display.h"#include"key_check.h"#include"key_display.h"#include"display.h"#include"DS18B20.h"#include"IIC.h"externucharkey_value;externucharkey_flag;externucharsecond,minute,hour,hour0;externuintdN_1[3];ucharDAC_1,DAC_2;//寫到DAC的電壓數(shù)據(jù)DAC_1高8位ucharTemp_1;//設定溫度的正負,0正1負ucharredraw;//刷屏標志uintposition_x;//光標坐標變量uintposition_y;ucharcolum_6[]="已用時：";ucharcolum_7[]="即時溫度:0.00℃ucharcolum_8[]="設定溫度>+0.00℃ucharcolum_9[]="send確定";ucharcolum_12[]="send確定^";ucharcolum_13[]="send確定^";ucharcolum_14[]="send確定^";ucharcolum_15[]="send>確定";ucharcolum_16[]=">sending...";ucharcolum_17[]="sendsucceed";ucharcolum_1[]="覃仕明";ucharcolum_2[]="XX工業(yè)大學";ucharcolum_3[]="電氣與電子工程";ucharcolum_4[]="090311班";voidmain<>{ucharskip;//光標處理變量WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關閉看門狗P6DIR|=BIT2;P6OUT|=BIT2;//關閉電平轉換/***************初始化********************/P2DIR=0XFF;P2OUT=0XFF;P6DIR=0XFF;P6OUT=0XFF;Initial_Clock<>;//初始化時鐘Initial_key<>;//初始化鍵盤set_timerA<>;//開啟定時ATBCTL=TBSSEL_2;//TimerB,SMCLK,upmode,1MHzTBCTL|=TBCLR;Ini_Lcd<>;//初始化液晶屏redraw=0;key_flag=0;position_y=1;position_x=0;Temp_1=0;/*********開機畫面*********************/while<!Write_DAC<0x8f,0x6a>>;Write_Str<0x80,&colum_1[0]>;Write_Str<0x90,&colum_2[0]>;Write_Str<0x88,&colum_3[0]>;Write_Str<0x98,&colum_4[0]>;Initial_key<>;while<!key_flag>//按任意鍵跳出循環(huán)key_check<>;/**********進入操作界面****************/Write_Str<0x80,&colum_6[0]>;Write_Str<0x90,&colum_7[0]>;Write_Str<0x88,&colum_8[0]>;Write_Str<0x98,&colum_9[0]>;Dis_time<>;//顯示時間while<1>{Dis_Numb<Do1Convert<>>;if<redraw>{Dis_time<>;dis_temper<>;dis_temper_set<>;redraw=0;}Initial_key<>;key_check<>;skip=0;if<position_x==0>{switch<position_y>{case1:{switch<key_value>{case1:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2d>;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2b>;}Write_Str<0x98,&colum_15[0]>;position_y=2;}break;case2:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2d>;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x20>;Write_Data<0x2b>;}Write_Str<0x98,&colum_12[0]>;position_y=0;position_x=1;skip=1;}break;case3:{if<Temp_1>{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x3e>;Write_Data<0x2b>;Temp_1=0;}else{Write_Cmd<0x8c>;Write_Data<0x3e>;Write_Data<0x2d>;Temp_1=1;}}break;default:break;}}break;case2:{switch<key_value>{case1: