基于TEC的高精度温度控制模块开发.doc

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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。

关键词：

C8051单片机TECPID控制温度控制

AdesignofTEC-based precisiontemperature module

Abstract

Nowadays,temperaturecontrolinghasplayedanmoreandmoreimportantroletokeepelectronicsystemworkingstableandaccurately,sincethesystemisbecomingmoresophysticatedandconcentrated.Forexample,wehavetoapplythetemparaturecontrolmoduletomoderatethetemperaturevariationinlaserdeviceandfibregrating,otherwisetheirperformancemaydeteriorateduetothetemperaturechange.

Inthisthesis,atempraturecontrolmodulebasedontheprincipleofThermoelectricCooler（TEC）isdesignedandrealized.ThemoduleiscomposedofSingleChipMicrocomputer（SCM）C8051F020,simulativetemperaturesensorandamotordriverchipL298N.TheSCMfunctionsasCyberneticsCorewhichisresponsibleofregulatethepowerofTECthroughPulse-WidthModulation（PWM）.Whenreceivingthefeedbacksignalfromtemperaturesensor,itwillimmediatelysendoutapulsewithcertainwidthbyPIDalgorithmandtransmitittoTEC.ThenthedirectionofthecurrentinTECwillbechangedaccordingtotheneccesaryofcoolingortoheating,asaresultthetemperaturevariationcouldberestrictedwithin0.1℃.

Keywords:

SCMC8051TECPIDcontrolTempraturecontrol

目录

摘要 I

Abstract II

1选题背景 1

1.1课题来源 1

1.2相关知识 1

1.3温度控制器的研究现状 5

1.4开发本模块的意义 6

1.5本章小结 6

2方案论证 8

2.1总体方案 8

2.2控制核心方案 9

2.3显示模块方案 10

2.4TEC方案 10

2.5信号转换与驱动电路模块方案 11

2.6温度采集模块方案 12

2.7本章小结 13

3系统的硬件设计 14

3.1温度采集模块 14

3.2显示模块 16

3.3信号转换及驱动电路模块 18

3.4本章小结 20

4系统的软件设计 21

4.1控制算法和驱动方法 21

4.2程序流程图 25

4.3单片机设置与编写程序 27

4.4本章小结 28

5设计成果与测试结果 29

5.1各个阶段的成果 29

5.2系统测试结果 31

5.3本章小结 32

6总结与展望 33

6.1全文总结 33

6.2工作展望 33

致谢 34

附录 35

参考文献 44

45

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（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ThomasSeeback首先发现，1834年，法国表匠兼物理学家JeanPeltier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4cm×4cm×2cm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）。

1.2.2PID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1.1PID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δ＝100％时，调节器的增益是1，当δ＝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δ大小，显然δ越大，增益越小，δ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：

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°+θI+θD，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，LinearTechnology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-20℃~120℃、精度优于0.1℃的精确温度控制，用于课题相关实验研究。

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，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、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；

（4）真正8位500ksps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。

2.4TEC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 23mm×23mm×3.2mm（±0.1）；

（2）元件对数 71；

（3）引线标准 20AWGUL1569105℃标准镀锡导线，PVC绝缘皮，引线长150±5mm，线端部剥皮7±1mm 引线焊在热面一端；

（4）阻值 1.50～1.70Ω（环境温度23±1℃,1kHzAC测试）；

（5）最大温差△Tmax（Qc=0） ：

65～68℃；

（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：

 -55℃～80℃；

（11）封胶：

四周704硅橡胶密封；

（12）存放条件：

环境温度-10℃～40℃，相对湿度不大于80%通风且无腐蚀性气体的仓库内。

图2.3TEC工作示意图图2.4TEC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

TEC

H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]