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1、基于TEC的高精度温度控制模块开发基于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
2、保持精度优于01?的稳定温度。关键词:C8051单片机TECPlD控制温度控制AdesignofTEC-basedprecisiontemperaturemoduleAbstractNowadays,temperaturecontrolinghasplayedanmoreandmoreimportantroletokeepelectronicsystemworkingstableandaccurately,sincethesystemisbecomingmoreSophysticatedandconcentrated.Forexample,wehavetoapplythetemparature
3、controlmoduletomoderatethetemperaturevariationinlaserdeviceandfibregrating,otherwisetheirperformancemaydeteriorateduetothetemperaturechange.Inthisthesis,atempraturecontrolmodulebasedontheprincipleofThermoelectricCooler(TEC)isdesignedandrealized.ThemoduleiscomposedofSingleChipMicrocomputer(SCM)C8051F
4、020,simulativetemperaturesensorandamotordriverchipL298N.TheSCMfunctionsasCyberneticsCorewhichisresponsibleofregulatethepowerofTECthroughPulse-WidthModulation(PWM).Whenreceivingthefeedbacksignalfromtemperaturesensor,itwillimmediate!ysendoutapulsewithcertainwidthbyPIDalgorithmandtransmitittoTEC.Thenth
5、edirectionofthecurrentinTECwillbechangedaccordingtotheneccesaryofcoolingortoheating,asaresultthetemperaturevariationcouldberestrictedwithin0.1?.Keywords:SCMC8051TECPIDcontrolTempraturecontrol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.
6、4TEC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20-4系统的软件设计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44-1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
7、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 相关知识1. 2.1帕尔贴效应与半导体致冷器帕尔贴(PeItire)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ThomasSeeback首先发现，1834年，法国表匠兼物理学家JeanPeItier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，
8、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TECo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1处以热的形式吸收或放出。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(通常是锦磷化合物)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、可表示为模
9、块的平均温度以及其两端的温差。从热端所散出的总功率QH,12QQIVQTRQ,1HCTECCTECC(1.1),E,V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QTCTEC所有串联的TEC压降（即致冷器模块两端压降）；R为总电阻，E为致冷器的性能系数。Q抽运的热功效率CE,（1.2）IV输入的电功率TEC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）o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130Onnl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IW的致冷功率在2-3s内将芯片温度从室温降至0
10、?。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3砌的半导体激光器，有可能产生90mW的热功率;输出IOOmW的激光器将产生700InW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4cmX4cm2c的铝散热器能在IOnmI内散发IOw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（，10础）半导体激光器，即使按军用标准在宽温（-5555
11、?）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）。1.2.2PlD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PTD控制系统原理框图如图Ll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PlD调节器。其调节规律
12、的数学表达式是：,，detl,PPPPKetetdtT,PIDPD,(1.3),Tdt,IPID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2消除。图1.1Pn)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)构成控3制偏差:(1.4),et,rint,youtt写成传递函数的形式为：,Us,1,(1.5),GsKTsIPD,EsTs,I式中，K比例系数;T一积分时间常数;T微分时间常数。PID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
13、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：IP,K,e,e(1.6)P,当,100,l,调节器的增益是L当6,200,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一成可以调整的，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
14、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：l,P,edt(1.7),TI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，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之II则越强。(3)微分环节微分调节作用可表示为：de,PT(1.8),Dd
15、t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T太大，虽然微分作用强，D超前的角度有利于系统稳定性，但T太大，增益也变大，增益过大，反而会降低系D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：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?+0+。，ID通过调整比例带，积分时间、微分时间就
16、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
17、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,LinearTeChnOIogy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；MCShane公司的恒温控制器产品主要型号有5C7系列；Liner以及AnalogDeViCeS等公司都推出了专用的热电致冷控制器芯片，如
18、Liner公司的LTC1923,AnalogDevices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
19、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：-4A到+4A;半导体致冷器最大输出功率：16W;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PlD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PlD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LD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Pn）控制技术，研制的LD用温度控制系统，在18?-25?
20、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切相关，其波长随温度的典型变化值达到04nm?,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
21、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（长期稳定性光标显示/隐藏(CUrSoronoff)显示字符闪烁(DiSPlaycharacterblink)光标移位(CUrSorshift)显示移位(DiSPIayshift)、垂直画面卷动(VertiCaIlinescroll)反白显示(Bylinereversedisplay)待命模式(Standbymode)o主要参数：(1)工作电压(VDD):4.5,5.5V;(2)逻辑电平:2.7,5.5V;(3)LCD驱动电压(Vo):0,7V;(4)工作温度(Ta):0,55?(常温)/-20,75?(宽温)；保存温度(TSt
22、g)：-10,65?(常温)/-30,85?(宽温)。图3.40CMJ4X8C外形尺寸图表3.1OCMJ4X8C引脚说明引方方名称说明引脚名称说明脚向向1VSS-GND(OV)11DB4I/O数据4SupplyVoltageFor2VDD-12DB5I/O数据5Logic(+5V)SupplyVoltageFor3VO-13DB6I/O数据6LCD(悬空)H:DataL:InstructionCode4RS(CS)I14DB7I/O数据7(chipenableforserialmode)H:ReadL:WriteH:ParallelMode5R/W(ST)I(serialdataforseri
23、al15PSBIL:SerialModemode)EnableSignal,6E(SCLK)I16NC-空脚高电平有效(serialclock)ResetSignal,低电7DBOI/O数据017/RSTI平有效8DBlI/O数据118NC-空脚LED9DB2I/O19-数据2背光源正极(+5V)ALEDlODB31/020-数据3背光源负极(Ov)BOCMJ4X8C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C8051F020单片机的Pl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
24、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Pn)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
25、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/散热片与8脚连通图3.5L298N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为局电平时有效，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INl和IN2的使能端，ENB为IN3和IN4的使能端。在TEC连接OUTl和OUT2的情况下，当ENA=1,INl=I,INT2=0时，TEC获得正向电流，对受控物体致冷;ENA=LINl=O,I
26、N2=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,TN1=3,INT4=0时，TEC获得正向电流,对受控物体致冷;ENB=LIN3=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。-2zm.IWJOUnducartaOCUNAtxMtm*!;/1dm工A3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，PO.O和PO.1两个I/O口输出连接L298N的两个使能端,的.4和PO.5连接L298N的INl和IN2。其中PO.O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(PO.0)INl(PO.4)IN2(P0.5)控制结果(TEC加热致冷)OXX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
