基于TEC的高精度温度控制模块开发

1、基于tec的高精度温度模块开发摘 要目前，随着电子行业向着更加精密的方向发展，温度控制对电子元件和各种系统的稳定运行和精确工作具有越来越重要的意义。在激光器和光纤光栅等光学器件的使用中，都需要保持高精度的稳定温度，一个高精度的温度控制模块必不可少。本文中设计了一种以tec为核心的温度控制模块。该模块以c8051f020单片机为控制核心，以模拟型温度传感元件作为高精度温度探测器，以l298n电机驱动芯片构成tec驱动，单片机接受温度传感器的反馈信号，通过pid算法进行运算来调节发送脉冲的脉宽，以pwm方式调节tec的功率，通过改变电流方向调节致冷和加热，使被控物体保持精度优于0.1的稳定温度。关

2、键词：c8051单片机 tec pid控制 温度控制a design of tec-basedprecision temperaturemoduleabstract nowadays, temperature controling has played an more and more important role to keep electronic system working stable and accurately, since the system is becoming more sophysticated and concentrated. for example, we ha

3、ve to apply the temparature control module to moderate the temperature variation in laser device and fibre grating, otherwise their performance may deteriorate due to the temperature change.in this thesis, a temprature control module based on the principle of thermoelectric cooler (tec) is designed

4、and realized. the module is composed of single chip microcomputer (scm) c8051f020, simulative temperature sensor and a motor driver chip l298n. the scm functions as cybernetics core which is responsible of regulate the power of tec through pulse-width modulation(pwm). when receiving the feedback sig

5、nal from temperature sensor, it will immediately send out a pulse with certain width by pid algorithm and transmit it to tec. then the direction of the current in tec will be changed according to the neccesary of cooling or to heating, as a result the temperature variation could be restricted within

6、 0.1.key words: scm c8051 tec pid control temprature control目 录摘 要iabstractii1 选题背景11.1 课题来源11.2 相关知识11.3 温度控制器的研究现状51.4 开发本模块的意义61.5 本章小结62 方案论证82.1 总体方案82.2 控制核心方案92.3 显示模块方案102.4 tec方案102.5 信号转换与驱动电路模块方案112.6 温度采集模块方案122.7 本章小结133 系统的硬件设计143.1 温度采集模块143.2 显示模块163.3 信号转换及驱动电路模块183.4 本章小结204 系统的软件设

7、计214.1 控制算法和驱动方法214.2 程序流程图254.3 单片机设置与编写程序274.4 本章小结285 设计成果与测试结果295.1 各个阶段的成果295.2 系统测试结果315.3 本章小结326 总结与展望336.1 全文总结336.2 工作展望33致 谢34附 录35参考文献441 选题背景1.1 课题来源该课题来源于国家自然科学基金课题：重大工程灾害预警光纤地震波监测关键技术基础研究。光纤传感器需要用到的半导体激光器及光纤光栅等都对温度控制有非常高的要求，需要一个高精度温度控制模块。基于tec的高精度温度控制模块开发将应用于一些电子元件和电子系统的高精度温度控制中。1.2 相

8、关知识1.2.1 帕尔贴效应与半导体致冷器帕尔贴(peltire)效应：电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔贴效应产生的热流量称作帕尔贴热。帕尔贴现象最早是在1821年由德国科学家thomas seeback首先发现， 1834年，法国表匠兼物理学家jean peltier发现帕尔贴效应背后真正的原因。这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，导致了致冷器的发明。当时的致冷器还不同于半导体致冷器tec。对帕尔贴效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放

9、出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出1。现在的半导体致冷器是利用两块重掺不同类型杂质的半导体(通常是铋碲化合物)使之在电学上串联、热学上并联所构成的热电偶，其冷端从热负载处吸收热并将热转移到热端。实际使用的半导体致冷器是将很多这样的热电偶相串联构成热电堆(或模块)。从热负载抽运热量的速度取决于模块所含热电偶的数量，通过电流的大小、模块的平均温度以及其两端的温差。从热端所散出的总功率可表示为 (1.1)式中，为从致冷器冷端抽运的热功率；和分别为加于致冷器上的电流和所有串联的tec 压降(即致冷器模块两端压降)；r 为总电阻，e 为

10、致冷器的性能系数。 (1.2)对致冷器的选择需考虑热负载的热容量(等于物体质量与比热之积)。大的热容量有利于热稳定性，但这也给迅速变化的温度控制带来困难。对通常光纤通信用1300nm带尾纤的半导体激光器所采取的内致冷方式(即致冷器置于管内的底部)，可以用1w的致冷功率在2-3s 内将芯片温度从室温降至0。然而若将整个管壳的温度也降至0则需用50w的致冷功率经40s 才能完成。半导体激光器本身是一个很重的热负载，例如，一个在室温续输出3mw的半导体激光器，有可能产生90mw 的热功率；输出100mw 的激光器将产生700mw的热功率。为了及时地将致冷器所抽运的热功率散发出去，对大功率半导体激光器

11、还需配有与致冷器有良好热接触的散热器。一般采用槽形铝，例如一个4cm4cm2cm的铝散热器能在10mm 内散发10w的热功率，而其本身只产生5的温升。对数十瓦的大功率半导体激光器，尚需对散热器采取强制风冷或流体冷却。然而，对光纤通信等所用的小功率(10mw)半导体激光器，即使按军用标准在宽温(-55 55)环境下仍应能稳定工作，希望使用无致冷激光器，这就要求激光器的闭值电流很小(10ma)。1.2.2 pid控制在生产过程中，自动调节系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的。其目的主要有两点：一是在人类生产和生活中，应用自动调节技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人力劳动，以便提高生产效率和提高

12、生活水平；二是对现代生产过程中很复杂的或极精密的工作，当用人力不能胜任时，应用自动调节技术就可以保证高质量地完成任务。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是pid 控制。模拟pid 控制系统原理框图如图1.1所示，即具备比例(p)、积分(i)、微分(d)三种调节规律的调节器，简称为pid 调节器。其调节规律的数学表达式是： (1.3)pid调节器在调节开始时，微分先起作用，使输出信号发生突然的大幅度变化，同时，比例也起作用进行调节，使偏差幅度减小，接着积分起作用，慢慢地把静差消除2。图1.1 pid控制系统原理图pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t

13、)构成控制偏差3： (1.4)写成传递函数的形式为： (1.5)式中，kp比例系数；ti积分时间常数；td微分时间常数。 简单说来，pid 控制器各校正环节的作用如下：(1) 比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例作用可用式(1.6)表示： (1.6)当100时，调节器的增益是1，当200时，调节器的增益是0.5。显然比例调节器的增益决定于比例带大小，显然越大，增益越小，越小则增益越大。增益的大小也间接地反映了反馈的强弱。比例增益可以改善调节特性，但如果使用不当，也可能导致系统不稳定并且可能产生振荡。因此多数比例调节器的比例带做成可以调整

14、的，通过比例带的调整，改变操作量，从而改变系统的增益，保证调节系统稳定，不产生振荡，或仅产生衰减振荡，最后稳定于某一数值。一般情况下，为了满足稳定性的需要，比例带可以选得宽一些。但比例带宽，操作量变化小，增益低，能量平衡慢，被调量回复也慢，而且比例偏移也大。(2) 积分环节积分调节作用可表示为： (1.7)积分调节作用产生了一个90相位滞后，也即积分输出落后于输入90。积分调节增益等于积分输出与输入幅值之比。由于使用积分调节作用，产生了一个调节系统的相滞后，使系统稳定性降低。当积分时间短，积分速度大，积分作用强，积分增益也大时，也会使系统稳定性降低。因此积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差

15、度。积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。(3) 微分环节微分调节作用可表示为： (1.8)微分调节作用产生了一个超前90的相移，即输出超前了90。由于微分调节的作用，使得整个调节系统相滞后减小了，从而增加了系统的稳定性。如果微分时间短，微分作用弱，则对系统影响不显著。如果微分时间td太大，虽然微分作用强，超前的角度有利于系统稳定性，但td太大，增益也变大，增益过大，反而会降低系统的稳定性。微分环节反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。因此可以得出这样一个结论

16、：pid 调节器综合了p，i，d 三个调节的作用，所以它的相位角为：180+ i + d，通过调整比例带，积分时间、微分时间就可以把系统调到所需要的稳定范围。1.3 温度控制器的研究现状20 世纪90 年代中后期，随着internet的逐步普及，光纤通信整个领域呈现良好的增长势头。从国外看，世界上很多著名的it公司（如：阿尔卡特光电子、liner等）相继研制成功各种新型激光光源、光调制器以及光电探测器。从国内看，华为、中兴等大型通讯设备制造商都将光纤通信产品的研究作为公司的战略重点。可以看出，随着光纤网络的飞速发展，市场对光纤通信器件的需求量将越来越大。作为光电子系统的核心器件，大功率半导体激

17、光器具有极大的研究、开发意义和市场潜力。对于半导体激光器的恒温控制系统，国内外很多公司、学校及研究所都在进行研究与开发。就目前恒温控制系统的国内外现状，做以下分析：目前，生产激光器温度控制器产品的国外公司中，处于领先水平的主要有：wavelength，ixlight，thorlabs，mcshane，linear technology等几家公司。wavelength公司的恒温控制器产品主要型号有mpt系列、pid系列、htc系列和fpt系列；ixlight公司的恒温控制器产品主要型号有ld5525系列、ld3700系列；thorlabs公司的恒温控制器产品主要型号有tec2000 系列； mc

18、shane公司的恒温控制器产品主要型号有5c7系列； liner以及analog devices等公司都推出了专用的热电致冷控制器芯片，如liner公司的ltc1923，analog devices公司的adn8830，ti公司的drv593等。在这些温度控制器中，以ixlight公司的ld3700（台式机）为例加以说明，其特点为：由模拟器件和数字器件共同组成，可任意选择热敏电阻、rtd、ad590或lm335作为温度传感器。增加gpib/ieee-488接口，实现与微机双向通讯。通过前面板或微机界面都可以对整机进行自检、自校正，增加了系统运行的可靠性，有效地保护了半导体激光器二极管的安全。半

19、导体致冷器具有独立的限流电路，输出电流被限制到一定范围内。一旦超过限定电流，特定的报警指示灯点亮。采用过热保护电路，确保温控器失灵情况下半导体激光器二极管的安全。主要技术参数：温度范围：-99 +150；短期稳定度：0.04；长期稳定度：0.01；半导体致冷器最大输出电流:-4 a 到+4 a；半导体致冷器最大输出功率：16 w；价格：1800 美元。国内研究、生产专门用于激光器的温度控制器较少，产品基本上为时间比例调节、固定参数pid调节等。温州上通仪表有限公司的st808系列智能温度控制器采用模糊pid控制算法，中国科学院安徽光学精密机械研究所利用数字式温度传感器ds18b20构造大功率l

20、d恒温致冷系统，控温精度达到0.1；中国工程物理研究院流体物理研究所江孝国等人采用pid控制技术，研制的ld用温度控制系统，在18-25温度范围内，控温的稳定度优于0.1；天津大学精密仪器与光电子工程学院周瑜等人采用热敏电阻作为测温元件，以半导体致冷器作为控温执行元件，利用高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器和模拟pid，研制了一种ld 用高精度温度控制仪，控制精度可达0.05。1.4 开发本模块的意义本模块将主要应用于对温度控制精度要求高、功率要求相对较低、体积小集成度高的场合，比如光纤光源常用到的半导体激光器（ld）的温度控制或光纤光栅温度传感。半导体激光器的频率和波长与激光器的控制温度密

21、切相关，其波长随温度的典型变化值达到0.4nm/，而光纤的模式选择对于激光的波长有严格的要求，因此在激光器上添加高精度温度控制模块非常重要。尽管国外产品的控温精度高（分辨度在0.001）、稳定性好(长期稳定性0.005)，但价格昂贵。而国内这些温度控制系统控温精度较高，但控温范围较窄，使其应用范围受到一定的限制，鉴于这种情况，研制一种高稳定度，低价格的温控系统来控制光电器件的工作温度具有极其重要的现实意义和经济价值。本次设计包括研制驱动、反馈控制及显示子模块，开发tec高精度温度控制模块并进行实验研究测试模块性能指标；实现温度变化范围-20120、精度优于0.1的精确温度控制，用于课题相关实验

22、研究。1.5 本章小结本章分为四个部分：首先介绍了本模块的开发是国家自然科学基金课题重大工程灾害预警光纤地震波监测关键技术基础研究的辅助课题；其次介绍了与本设计相关的tec与pid控制方面的基本知识；接着介绍了国内外温度控制器的研究现状，国外产品功能全面性能优良但一般价格很高，国内产品精度很高但适用范围过窄；最后阐明了开发本模块的意义和本模块的优点：精度高、适用广、价格低。2 方案论证2.1 总体方案实现对温度的高精度控制需要对tec的工作情况进行快速高效的控制，工业上常用的比例、积分、微分控制(pid)十分符合基于tec的高精度温度控制模块的要求。使用pid控制的方法，与tec产生热输送功率

23、相对应，需要加入温度探测器产生反馈信号来引入反馈；需要加入一个控制核心对信息进行计算处理；需要加入信号转换及驱动电路模块控制tec的工作；需要加入显示模块来显示设定温度值和当前温度值等相关信息。总体方案模块图如图2.1所示。控制核心显示模块被控物体温度采集信号转换与驱动电路反馈信号tec控制信号驱动电流图2.1 总体方案模块图其工作原理为：工作时，由温度探测器对被控物体进行温度采样，获得温度信号反馈到控制核心中，在控制核心中与设定的标准温度值进行比对，经过pid算法计算后输出控制信号，由信号转换及驱动电路进行转换，得到tec的驱动电流，对tec进行加热或者致冷的调整。当tec获得正向的电流时，

24、对被控物体进行致冷，使被控物体温度降低；当tec获得反向电流，对被控物体进行加热，使被控物体温度升高。在pid算法中，温度基本偏差(受控物体的温度高于或者低于设定的额定温度的值)、累积偏差以及温度偏差对时间的微分都会对tec的致冷或者加热功率产生影响。这种受控的功率变化使被控制物体的温度尽快回复并且减少震荡，使其保持在设定温度以微小幅度变动。由于温度探测器采样有一定的频率，因此反馈信号为离散信号，本设计中使用的是离散化pid控制。2.2 控制核心方案有多种常用的控制核心可以用来进行pid控制。本系统所需的控制核心计算量较小，对控制速度的要求只需达到mhz级别，从效率和成本综合考虑，单片机是最佳

25、的选择。单片机是一种高效的微控制器，为很多嵌入式系统提供了高效且廉价的解决方案。相比于pld、arm等，单片机更加适合该模块。本系统中，单片机负责对温度探测器获得的温度反馈信号进行处理，经过pid算法计算怎样控制tec使温度保持稳定，向信号转换及驱动电路传递的控制信号包含所有的控制信息（电流的方向和大小或者频率、占空比等）。单片机向显示屏发送信号实时显示温度探测器探测的温度。这里选择的是51核心的单片机c8051f020，其内部具有自带的12位adc，因此在温度采集模块中如果使用模拟型温度探测器就不需要另外加入ad转换电路。同时它包含pca功能部件，有8位和16位pwm工作方式，也给pwm控制

26、提供了便利4。c8051f020是完全集成的混合信号系统级mcu芯片， 具有64个数字i/o口引脚。下面列出了一些主要特性:(1) 高速、流水线结构的8051 兼容的cip-51 内核（可达25mips）；(2) 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；(3) 真正12 位、100 ksps 的8 通道adc，带pga和模拟多路开关；(4) 真正8 位500 ksps 的adc，带pga 和8 通道模拟多路开关；(5) 两个12 位dac，具有可编程数据更新方式；(6) 64k 字节可在系统编程的flash 存储器；(7) 4352（4096+256）字节的片内ram；(8) 可寻址64k 字

27、节地址空间的外部数据存储器接口；(9) 硬件实现的spi、smbus/ i2c 和两个uart 串行接口；(10) 5个通用的16 位定时器；(11) 具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；(12) 片内看门狗定时器、vdd监视器和温度传感器；(13) 具有片内vdd 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f020/1/2/3 是真正能独立工作的片上系统。2.3 显示模块方案显示模块需要显示设定的工作温度、当前实际温度等信息。这里提出两种参考方案：方案一：采用光电数码管搭配控制芯片及驱动电源构成。优点：结构简单，电路搭建方便；图2.2 一种点阵液晶屏缺点：显示内容过少，不够

28、直观。方案二：采用点阵液晶屏幕。优点：能显示汉字、字母、字符多种信息，且能容纳更多的显示内容；缺点：相关的软件驱动和硬件接口需要占用更多的单片机资源。方案一和方案二都符合显示模块的要求，但是方案一只能显示简单的数字，而方案二可以显示字母、汉字和更多的内容。选择方案二可以在显示屏中方便地添加各种警示信息，比如温度过高警示，也可以显示中间变量的值，便于调试。因此，显示模块选用方案二。2.4 tec方案tec是温度调控元件，通过调节输入电流的大小和方向来调节致冷还是加热以及致冷或者加热的速度。本模块是用的tec的产品型号为tec1-7104。(1) 外形尺寸23mm23mm3.2 mm (0.1)；

29、(2) 元件对数71；(3) 引线标准20awg ul1569 105标准镀锡导线，pvc绝缘皮，引线长1505mm，线端部剥皮71mm 引线焊在热面一端；(4) 阻值1.501.70（环境温度231,1khzac测试）；(5) 最大温差tmax(qc=0)：6568；(6) 工作电流imax：4.0a；(7) 最大电压vmax：8.4vdc；(8) 最大致冷功率qcmax：21w；(9) 承受装配压力：39.2n/cm2；(10) 工作环境温度范围：-5580；(11) 封胶：四周704硅橡胶密封；(12) 存放条件：环境温度-1040，相对湿度不大于80%通风且无腐蚀性气体的仓库内。 图2

30、.3 tec工作示意图 图2.4 tec产品实物图2.5 信号转换与驱动电路模块方案信号转换及驱动电路模块是该高精度温度控制模块的关键之一。该部分需要提供tec的工作电流，能带动最高20w的功率的负载，最大工作电流imax为4.0a，最大电压vmax为8.4vdc，能提供正向和反向的电流，同时还需要根据控制信号改变驱动电流，使致冷或加热功率能够改变，配合单片机的控制信号一起工作。方案一：采用数模转换电路，将单片机提供代表电流大小的数字信号转换为相关电流，以改变电流的大小来改变tec的输出功率，提供直流恒压来驱动tec工作。这是一种线性驱动模式5。图2.5为方案一示意图，虚线框表示器件不属于此模

31、块，下同。优点：原理简单，配合控制更加直观；缺点：要搭建高负载电流控制电路，效率低、功耗大。单片机tech桥驱动电路隔离放大da转换图2.5 信号转换与驱动电路方案一原理示意图方案二：将恒直流电流大小的调整改为脉冲电流脉宽的调整。使用pwm方式，同样可以改变输入功率，这样就将d/a转换改变为对脉冲波形的控制。可以采用mosfet作为执行机构, 用mosfet组成h桥；或者选择一种集成的pwm式控制的驱动芯片，对电流进行方向和导通时间的控制6。相关模块图如下：h桥驱动电路隔离电路波形发生电路单片机tec图2.6 信号转换与驱动电路方案二原理示意图优点：反应速度更快，调试更加方便，调节精度高；缺点

32、：电磁干扰大。方案一和方案二都符合该模块的要求。方案一与方案二稳定性差异很小可以忽略，从电路搭建的成本考虑，采用方案二更加经济。这里选择了一款含有h桥的pwm式驱动芯片来搭建信号转换与驱动电路，在3.3小节中进行了具体介绍。2.6 温度采集模块方案准确地探测被控物体的温度并反馈高分辨率的温度探测信号是实现高精度温度控制的前提。因此温度探测元件的选择对高精度温度控制器的精度有极大的影响。温度采集模块会以一定的频率对被控物体的温度进行采样，然后将探测信号反馈给控制核心，精确度需要达到0.1。方案一：采用热敏电阻配合a/d转换器7。图2.7 集成温度探测器ds18b20优点：电路简单，可以根据要求进

33、行组合或封装；缺点：探测值不够精确，稳定度不如其他集成温度探测元件。方案二：使用集成的模拟温度探测器，比如ad590温度感应电流源，ad590 的主要性能为电源电压430v；工作温度-50150；标定系数:1a/k。优点：精度高，使用方便；缺点：需要将电流值转换为电压值。方案三：使用集成的数字温度传感器，比如ds18b20，其测量范围-55到125，最低分辨率可以达到0.0625，采样周期为93.75ms。优点：精度高，使用方便，串口通信利于单片机接受和处理信号；缺点：采样周期固定，电路搭建没有模拟元件灵活。方案二与方案三各方面均优于方案一，且都符合该高精度温度控制模块的要求。ad590可以通

34、过调节接入电阻的大小改变探测的分辨率，且采样周期可由单片机来决定，在数据处理上比ds18b20更加灵活。本系统的设计选择方案二来搭建温度采集模块。2.7 本章小结本章提出了可供本设计选择的各种方案，并讨论其优缺点，选择出了最适合本设计的方案。首先，将该温度控制模块分为了控制核心、显示模块、温度采集、信号转换与驱动电路、tec等五个子模块，介绍了子模块的连接、配合与总体工作流程；然后对各个子模块提出了几种不同的设计方案，对比了各自的优点和缺点，从性能、成本、适用性等多方面考虑筛选出了各个子模块中的最佳者，将其组合构成本次设计基于tec的高精度温度控制模块。3 系统的硬件设计3.1 温度采集模块温

35、度传感器种类很多，常用的温度传感器有热膨胀式传感器，电阻式传感器，热电偶传感器，集成温度传感器等。本系统采用集成温度传感器ad590。它是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1a/k。相比于一些数字温度探测元件，ad590的模拟电流输出具有精度更高的优势。由于它的输出电流精确地正比于绝对温度，故可以作为精确测温元件，也可作为其它温度元件的校正和补偿器件。ad590 只需要一个电源(+4v+ 30v)，即可实现温度到电流大小的转换，使用方便，应用中不需要电源滤波器、导线温度补偿和线性化电路。ad590的线性工作曲线大大简化了数据处理的复杂程度。由于内部采用激光微调，

36、器件的一致性、均匀性非常好，容易互换。ad590 的校准精度可达0.5，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达0.1。在全温区范围内(-50+150)使用，精度也可高达1。作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。另外，ad590 可以承耐+44 v 及反向20 v 电压，外加电源紊乱或管脚接反不会损坏器件8。ad590 的主要性能如下：电源电压：430v；工作温度：-50+150；标定系数：1a/k；重复性： 0.1

37、；长期漂移： 0.1/mon；电压抑制比：0.5a/v(+4vvs+5v)；0.2a/v(+5vvs+15v)；0.1a/v(+15vvs+30v)。封装图和基本使用电路如图3.1和图3.2：图3.1 ad590封装图图3.2 ad590基本使用电路当电阻r1和电位器r2的电阻之和为1k时，输出电压v0随温度的变化为1mv/k但由于ad590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把ad590放于冰水混合物中，调整电位器r2，使v0=27.32mv，这样调整可保证在0附近有较高精确度。因为半导体激光器通常在室温条件下使用，所以一般在室温下(25)条件下调整电位器，使v0

38、=273.2+25=298.2 mv，这样可以保证在25附近有较高的精确度。图3.3是该温度采集模块的电路原理图。它是一个摄氏温度测量电路，将热力学温标转换成摄氏温标，ad590与地之间连接一个10k的电阻， 这个电阻上的压降就为l0mv/k，用一个9.6k的电阻与一个lk的电位器串联，调节电位器获得精确的10k。其中运算放大器u1(图中左边的op07)被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放u2(图中右边的op07)构成了一个差分放大电路9，它的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，调节滑动变阻器r4给v3点输入一个恒定的电压2.73v，这样就构成了一个差分比例运算电路，从tpout输出

39、的电压就转换成了摄氏温标。图3.3 温度采集模块电路原理图由图3.3可知： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5)其中t为热力学温度，i为流经r1的电流，vi为u1正输入端（图中的引脚3）的电压，v1为tpout的输出电压。例如，若温度为28，则vo=0.56v。由tpout输出的电压值提供给c8051f020的ad0输入口ain0，在单片机内经过数字化转换得到温度的摄氏温度数值。放大电路采用低温漂高精确度的芯片op07，其输入失调电压0.7mv/，输入端温度信号灵敏度可达到l mv/。3.2 显示模块本系统选用的点阵液晶屏采用金鹏电子有限公司出产的ocmj（奥可拉中文集成

40、模块）c系列液晶显示模块中的ocmj4x8c。c系列中文模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口。所有的功能，包含显示ram，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2m-位中文字型rom (cgrom) 总共提供8192个中文字型(1616点阵)，16k-位半宽字型rom (hcgrom) 总共提供126个符号字型(168 点阵)，6416-位字型产生ram (cgram)，另外绘图显示画面提供一个64256点的绘图区域（gdram），可以和文字

41、画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（display clear）、光标归位（return home）、显示打开/关闭（display on/off）、光标显示/隐藏（cursor on/off）、显示字符闪烁（display character blink）、光标移位（cursor shift）、显示移位（display shift）、垂直画面卷动（vertical line scroll）、反白显示（by line reverse display）、待命模式（standby mode）。主要参数：(1) 工作电压(vdd)：4.55.5v；(2) 逻辑电平：2.75.5v；(3) lcd

42、 驱动电压(vo)：07v；(4) 工作温度(ta)：055(常温)/-2075（宽温） ；保存温度(tstg)：-1065(常温)/-3085(宽温)。图3.4 ocmj4x8c外形尺寸图表3.1 ocmj4x8c引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1vss-gnd（0v）11db4i/o数据42vdd-supply voltage for logic (+5v)12db5i/o数据53v0-supply voltage for lcd （悬空）13db6i/o数据64rs(cs)ih: datal:instruction code(chip enable for serial mode

43、）14db7i/o数据75r/w(st)ih: read l: write(serial data for serial mode)15psbih: parallel model: serial mode6e(sclk)ienable signal，高电平有效(serial clock)16nc-空脚7db0i/o数据017/rstireset signal，低电平有效8db1i/o数据118nc-空脚9db2i/o数据219leda-背光源正极（+5v）10db3i/o数据320ledb-背光源负极（0v）ocmj4x8c具有20个输入引脚，可以平行输入控制命令和显示数据。本系统的设计中让c

44、8051f020单片机的p1口输出屏幕控制命令，p2口输出显示数据。具体的显示控制程序见附录中的程序代码。3.3 信号转换及驱动电路模块本系统所用到的半导体致冷器是tec1-7104。其正常工作最大电压为8.4v，最大电流4.0a。要驱动tec1-7104，驱动电路必须达到三点要求：(1) 能够改变电流的方向，使tec既可以致冷也可以加热；(2) 能够调节电流的大小或者进行pwm控制，即能够改变tec的功率，这样才能进行pid控制；(3) 能带动至少2a电流和8w的功率的负载。 常用的步进直流电机驱动芯片l298n能很好的符合以上要求。l298n是专用驱动集成电路，属于h桥集成电路，与另一种电

45、机驱动芯片l293d的差别是其输出电流增大，功率增强。l298n的输出电流为2a，最高电流4a，最高工作电压50v，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。图3.5 l298n封装示意图图3.6是为本系统设计的tec驱动模块的电路原理图。板上的ena与enb为高电平时有效，只有当ena为高电平时，tec才会获得电流，否则tec将不会工作，这里的电平使用的是ttl电平。ena为in1和in2的使能端，enb为in3和i

46、n4的使能端。在tec连接out1和out2的情况下，当ena=1，in1=1 ，int2=0时，tec获得正向电流，对受控物体致冷；ena=1，in1=0 ，in2=1时，tec获得反向电流，对受控物体加热。同理，在tec连接out3和out4的情况下，当enb=1，in1=3， int4=0时，tec获得正向电流，对受控物体致冷；enb=1，in3=0，in4=1时，tec获得反向电流，对受控物体加热。power接直流电源，电源正端为vcc，电源负端为gnd， l298n的+5v由模块内部7805稳压后提供。图3.6 信号转换与驱动电路模块电路原理图本设计采用的是c8051f020单片机，

47、p0.0和p0.1两个i/o口输出连接l298n的两个使能端，p0.4和p0.5连接l298n的in1和in2。其中p0.0输出给ena，作为pwm波的输出用来控制tec的脉宽从而控制加热或者致冷的速度，具体控制如表3.2所示。表3.2 单片机输出控制表ena(p0.0)in1(p0.4)in2(p0.5)控制结果(tec加热致冷)0xx无电流（停止工作）100无电流（停止工作）101反向电流（tec加热）110正向电流（tec致冷）111无电流（停止工作）3.4 本章小结本章结合第二章的方案组合对系统的硬件设计进行了具体介绍。首先设计了温度采集模块的电路，对传感器ad590的工作电路和绝对温

48、度转摄氏温度电路进行了具体的介绍和计算；然后介绍了显示模块采用的元件ocmj4x8c的功能、连接方式和控制方法；最后介绍了信号转换及驱动电路模块的电路，对l298n的元件特性、单片机的输出控制和致冷加热的转换过程进行了详细阐述。控制核心与tec由于采用现有的器件，不必自行设计，而且已经在第2章中有详细的介绍，因此在本章中没有提及。4 系统的软件设计4.1 控制算法和驱动方法使用怎样的控制算法和驱动方法直接影响到单片机程序的总体框架和流程，因此这里先介绍本设计中使用的pid 算法和pwm控制方法。4.1.1 本系统的pid算法由于温度探测器采样有一定的频率，因此反馈信号为离散信号，本设计中使用离

49、散化pid控制。将公式(1.3)改写为离散化(数字化)形式1015，得到 (4.1)其中，e(k)为基本偏差，t对应偏差的积分，e(k)-e(k-1)/t 对应偏差的微分，u(k)是输出，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，t为采样周期。本设计使用的pid 算法为直接pid 算法, 即输出的控制量是由基本偏差, 累计偏差, 相对偏差直接算出。pid算法分为两个区间使用, 使用的函数如下: (4.2)其中, pout为输出的脉宽控制量；e( t) 为温度基本偏差；e( t )为累计偏差, 表示e( t )从1到t的全部总和；a为温度范围, 温度超过此范围则全脉宽；kp 为比例

50、系数；ki为积分系数，ki= kpt/ti；kd 为微分系数，kd= kptd/t。该算法并没有在全温度范围采用pid 算法, 而是在温度远离设定温度时, 采用全脉宽加热或致冷，这样可以迅速调整误差, 使误差的绝对值以最大速度减小。当探测温度接近设定温度, 使用pid调节,比例环节可以控制调节的速度, 积分环节可以使温度接近目标温度, 微分环节可以降低温度的瞬间变化对输出结果的影响1617。pid控制函数流程图如下： 进入pide(t)=ad-setadn|e(t)0?e=e(t)-e(t-1);sum=sum+e(t); e(t-1)=e(t);nypidout=-255;sum=0;pid

51、out=kp*e(t)+ki*sum+kd*epidout0?in1=1;in2=0;in1=0;in2=1;pca0cphn=255-pidout进入显示图4.1 程序流程图当单片机执行进入pid控制后，首先将20次探测温度的平均值ad与设定温度setad相减，得到温度基本偏差e(t)；接着判断|e(t)|是否在温度范围a之内，如果超过温度范围a，则输出全脉冲，即占空比为100%，使tec全速工作，致冷还是加热由pidout的正负号决定。接着将累积温度差sum归零。如果|e(t)|在温度范围a之内，则进行pid控制：由本次温度基本偏差e(t)与上一次温度基本偏差e(t-1)相减获得相对偏差e

52、，将e(t)累加计入累积偏差sum，再将e(t)的值传递给e(t-1)以便下一轮的pid计算；再计算控制输出中间量pidout=kp*e(t)+ki*sum+kd*e。如果pidout为正值，则in1=1，in2=0，给tec输入正向电流进行致冷；如果pidout为负值，则in1=0，in2=1，给tec输入反向电流进行加热。使输出脉宽控制量pca0cphn=255-pidout，然后进入显示子程序。显然，控制输出中间量的值是由多次温度基本偏差共同决定的。在程序调试的过程中，只需要改变比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd三个值的大小，就可以控制温度变化的情况，消除静态温差，减小震荡，使温度

53、控制精度达到0.1之内。4.1.2 pwm驱动控制法c8051f020具有可编程计数器阵列（pca0），通过配置寄存器可以方便地实现pwm控制。可编程计数器阵列（pca0）提供增强的定时器功能，与标准8051计数器/定时器相比，它需要较少的cpu干预。pca0包含一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块。每个捕捉/比较模块有其自己的i/o线（cexn）。每个捕捉/比较模块可以被编程为独立工作在下面的6种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位pwm或16位pwm。对pca的编程和控制是通过系统控制器的特殊功能寄存器来实现的。pca的基本原理框图示如图4.

54、2。本设计配置使用8位pwm工作方式。每个捕捉/比较模块都可以独立地用于在对应的cexn引脚产生脉宽调制（pwm）输出。pwm输出信号的频率取决于pca0计数器/定时器的时基。使用模块的捕捉/比较寄存器pca0cpln改变pwm输出信号的占空比。当pca0计数器/定时器的低字节（pca0l）与pca0cpln中的值相等时，cexn的输出被置1。当pca0l中的计数值溢出时，cexn输出被置为低电平（见图4.2）。当计数器/定时器的低字节pca0l溢出时（从0xff到0x00），保存在pca0cphn中的值被自动装入pca0cpln，不需软件干预。置1 pca0cpmn寄存器中的ecomn和pwmn位将使能8位脉冲宽度调制器方式。8位pwm方式的占空比由式(4.2)给出。出现在cexn的波形的周期等于256个pca时钟周期。该信号的低电平时间等于在模块的捕捉/比较寄存器（pca0cpln）的低字节中所存储的8位数值1820。图4.2 pca原理框图图4.3 pca捕捉/比较模块配置为8位pwm模式图4.4 pca0cphn占空比的改变在主pca计数器（pca0l）的低字节发生溢出时，模块的比较寄存器的高字节被拷贝到模块的比较寄存器的低字节（pca0cpln=pca0cph