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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
