1、.长 春 理 工 大 学毕业设计(论文) 任务书题目名称：TEC 温度控制研究学生姓名：吴瀚 起止日期：题目要求(包括主要技术参数)：设计一款 TEC 温度控制器 基本原理： 温度控制理论；侧重点： 功率电路和 PID 算法电路要求：连接专用调试器来进行参数的调节，参数调节完毕并保存后，撤去调试器，仍可以独立工作。可以通过专用 RS232 调试线和电脑进行通讯，以进行参数设置和温度监视，以及进行温度程控。参数：额定工作负载 5A，峰值电流 10A。指导教师签字： 系主任签字年 月 日.论文开题报告(设计方案论证)1.本课题研究的目的、意义：2.国内外研究现状：3.拟采用的研究路线：4.进度安排
2、。1、TEC 温度控制器研究目的、意义：半导体激光器广泛运用于光通信、医疗等各个领域，激光器的热特性是影响其众多性能的关键因素，激光器输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。好的温度稳定性不仅能带来各器件光学参数的稳定输出，同时也会提高整个系统的性能和可靠性，因此，TEC 温度控制是激光系统设计时一项重要的任务，其控制性能和精度满足系统激光器对温度控制的要求，可以制冷、加热两种功能，充分使用了 TEC 的全部特性。广泛应用于实验、测试、生命、光电、材料、检测等领域，可靠性强，体积小。2、国内外研究现状：目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差
3、距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制
4、；-是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。3、拟采取的研究路线：
5、首先了解 TEC 温度控制器的基本原理，掌握单片机系统设计的基本方法。学习相关理论知识，完成单片机最小系统和温度传感器电路的硬件系统设计。最后在 keil C 环境下完成.单片机的软件的设计，完成对温度信号的读入。连接专用调试器来进行参数的调节，参数调节完毕并保存后，撤去调试器，仍可以独立工作。在理论研究的基础上进行实验，并在实验过程中对不合理之处进行校正和完善。最终得出课题所需结论4、进度安排：第 1 周到第 2 周：查阅相关资料和书籍，TEC 温度控制器的主要原理进行研究和认识，对硬件系统设计有所了解。第 3 周到第 4 周：查阅有关基于单片机 TEC 温度控制器方面的中英文资料，完成文献
6、综述总结和外文文献翻译。第 5 周到第 7 周：写文献综述和准备开题报告第 8 周到第 10 周：初步构思实验方案，并对其进行实验验证，完成整个实验装置的装调。第 11 周到第 12 周：反复调试，优化实验装置和实验方法，对 TEC 温度控制器的参数进行调节第 13 周到第 14 周：进行整体装调，完成各项参数测试，达到既定指标与要求。整理实验数据，对实验结果进行分析、总结，完成论文初稿撰写工作。第 15 周到第 16 周：修改、完善论文，准备答辩。5.文献综述(2000字)，并列出主要参考文献：TEC 原理TEC(Themoelectric cooling modules)即半导体制冷器4,
7、它的工作原理是基于珀尔贴效应(J.C.A.Peltier 在 1834 年发现),即当电流以不同方向通过双金属片所构成的结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用 P 型和 N 型半导体材料制成,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量要低于在 N 型半导体中的能量,故在 P 型电偶臂和 N 型电偶臂两端加上电压后,电子从金属流到 N 型半导体需吸收能量,而从 N 型半导体流到金属中需放出能量,这样 a 端是电子从金属流向 N 型半导体,故为吸热端,而 b 端是电子从N 型半导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时 a 端则为放热端,而 b 端则为吸热端
8、。由此可知,若将 a 端与某物体接触,通过改变回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。总体方案设计方案一薄膜铂电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送 A/D 转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；当前温度数据和设定温度数据经 PID 算法得到温度控制数据；控制数据经 D/A 转换器得到控制电压，经功率放大后供半导体致冷器加热或制.冷，从而实现温度的闭环控制。 系统大致可以分为：传感、单片机处理、控制及温控箱。图 1.1温度传感系统换能部分采用了电压电路，这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势；经过铂电阻特性分析，在要求的温度范围内
9、铂电阻的线性较好，所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外，由于高精度的需要，电路对电源要求较高，所以采用稳压电源电路的输出电压，并且需要高精度运放。因为温度变化并不是很快，所以电路对滤波器的要求并不高，这里采用了一阶滤波即可满足要求。温度控制系统温度控制系统需要完成的功能为：D/A 转换器输出的电压控制信号，经过电压放大，再通过功率单元提高输出功率后，控制半导体制冷器件加热或制冷。故此子系统可分为电压放大、功率输出两部分。D/A 转换器输出的电压控制信号经过电压放大、功率放大后，给两片半导体制冷器件供电。另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷
10、的控制信号。.功率放大电路采用 LM33 稳压芯片，可承受高输出电流，且 Vout 端输出电压与 Vadj 端的电压差保持不变的特点，可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片的 Vadj 端，输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。具体设计为 D/A 输出的控制信号，经上述处理，在 Vout 端利用继电器，由单片机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向，改变半导体器件的电流方向，从而控制加热或制冷。优点：温度控制精确方案二图 1.2下述采用 ADN8830 设计一种高效率的 TEC 温度控制器,设计要求电源工作电压为 5V, TEC 最大工作电压为 3. 0V,最大工作电流 1A
11、的温度控制系统。a.功率驱动 H 桥的设计电路中采用 MOSFET 功率管 H 桥输出驱动替代常用的线性调整功率管驱动,这是降低功耗的关键部分。由于采用低导通电阻的 MOSFET功率管,输出驱动消耗在驱动器上的无用功耗就大大减少。同时,采用 H 桥可以在不增加负电源的情况下,灵活地调整加在 TEC 上的电流极性,使 TEC 工作于制冷状态还是制热状态。如图2 所示，TEC 制冷器设置在 H 桥的中间,当 N2A 开关管有效导通、N2B 开关管有效关闭、N3B常通、N3A 常闭时,电流从 TEC 的“+”端经 TEC 流向“-”端。当 N2A 开关管有效关闭、N2B开关管有效导通、N3B 常闭、
12、N3A 常通时,电流从 TEC 的“-”端经 TEC 流向“+”端。设计时,为了提高电源效率、扩展散热渠道以及使用灵活性和保护 ADN8830,控制器采用外接MOSFET 功率管 H 桥。选用导通电阻小于 60 毫欧的 FDW2520C 互补功率 MOSFET 组建 H 桥,此.互补 MOSFET 器件单个封装里同时具有 P 沟道和 N 沟道功率 MOS 管。散热条件良好的情况下,连续工作电流可达 4A 以上,超出设计要求的 1A 要求,且只需两只封装器件即可组建 H 桥,使用非常方便。设计的 H 桥如图 2 所示。图 1.3优点：利用良好的温控器使 TEC 更好地发挥出其特点技术发展及应用以
13、往在生产过程和科学实验中,要对温度进行控制,一般采用数字调节仪表或者模拟,但是它们却存在一定的缺陷而采用单片机进行温度的调节与控制就大大提高了可靠性和灵敏度。目前, 随着物联网概念的日渐普及，基于单片机所组成的数据采集和控制系统,已在各个领域得到了广泛的应用。传感器是信息产业的重要基础元件，应用在航天、军工、家电、汽车电子、IT、医疗和特种设备等方面。从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在
14、主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前进水平。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。1. 谢自美； 电子线路设计 实验 应用(第三版)M2. 洪木南，卢文雯，李建秋； 恒温箱温度控制器设计J；实验技术与管理 2010 年 01 期3. 高加林，郭微波； 一种高效率 TEC 温度控制器的设计J； .集成电路通讯2007 年 01 期4. 曾华林;；江鹏飞； 谢福增；半导体激光器温度控制研究J；激光与红外2004 年 05 期5. Semiconductor. DS18
15、B20 programmable resolution1- wire digitalthermometerR.Dallas Semiconductor Corporation, 2002:1-26.6.外文文献翻译(2000 印刷符号) 对光纤激光器热电冷却器的温度控制器介绍增加带宽的需求持续导致了基于光纤的网络部署。光纤线路由固态激光器驱动,在高信息密度传输上有较强的能力。高度压缩的数据方案如 DWDM(密集波分复用)利用多个激光驱动纤维获得多通道数据流。狭窄的信道间隔依赖于被控制在 0.1nm（NA-nometer）范围内的激光波长。激光能做到这一点,但温度变化会对操作造成影响。图 1 显
16、示了激光输出峰值与波长的关系,这意味着为了使峰值出现，激光波长必须控制在 0.1 nm 内。图 2 绘出了激光波长与温度的关系。曲线斜率意味着尽管温度容易调制激光波长,但是一旦达到激光器峰值温度不能发生改变。通常,激光运行在 0.1nm 内需要保持温度控制为 0.1C。图 1 所示。激光强度峰值的方法 1 纳米窗口内 40 db温度控制器的要求温度控制器必须满足一些不寻常的要求。最值得注意的是,由于环境温度变化和激光强度的不确定性,控制器必须能够提供或减少热量，保持控制。珀耳帜效应热电冷却器(TEC)允许这个，但控制器必须是真正的双向的，它必须没有死区或热流控制不易的动力学的“热冷”的过渡区。
17、此外,温度控制器必须是一部能够随时间和温度变化持续控制内部温度为 0.1C的精密设备。.激光为基础的系统包装紧凑,因此需要能够高效运转且占存储空间较小的解决方案,以避免过度散热。最后,控制器必须能够在一个单一的、低电压源正常操作并且其(假定为开关模式)操作不能带来噪声污染。图 2 激光波长变化 0.1 nm /C。典型应用需要波长稳定性在为0.1nm，强制规定温度控制温度控制器的细节图 3 中,热电冷却器的示意图(TEC)温度控制器,包括三个基本部分。DAC 和热敏电阻形成一个电桥,它的输出由 A1 放大。LTC1923 控制器是脉冲宽度调制器，提供适当的调制和分阶段驱动的功率输出级。激光器是
18、一种在电方面细微而昂贵的载荷。因此,该控制器提供了各种监控、限制和过载保护功能。这些包括软启动和过电流保护, TEC 的电压和电流检测和“界外”温度传感。异常的操作会导致电路的关闭,防止激光模块损害。另外两个功能促进系统级兼容性。基于锁相环振荡器许可可靠的多个 LTC1923s 时钟同步束激光器系统。最后,切换模式交付 TEC 是有效的,但特殊考虑必须确保切换相关的噪音不是反馈到主机电源。LTC1923 包括边摆限制，能够通过降低功率阶段的过渡时间最大限度地减少开关相关谐波。这大大降低了高频谐波含量,防止过度的开关切换噪音对电源或激光器造成影响。开关模式功率输出级，一个“H 桥”的类型，允许有
19、效地双向驱动到 TEC,使激光加热或冷却。热敏电阻、TEC 和制造中内封装了激光模块的激光器,三者被紧密热耦合。该 DAC 允许调节温度设定点的任何单独的激光的最佳工作点，对于每一个激光通常指定。控制器增益和带宽调整，优化以获得最佳的温度热环路响应稳定性。热循环的注意事项高性能的温度控制的关键是匹配热反馈控制器的增益带宽路径。从理论上讲, 使用传统的伺服反馈技术这将不是一个问题。实际上，在很长一段时间常数和不确定的延迟向固有的热系统提出了挑战。伺服系统和振荡器之间不协调的问题在热控制系统中非常明显。控制回路可以很简单建模为一个电阻和电容网络。电阻是等效热阻和电容热能力。图 4 中的TEC，TE
20、C-传感器接口和传感器都有一个能集中延迟系统的反应能力的 RC 因素。为了防止振荡, 增益带宽必须被限制因为这种延迟。既然高增益带宽是可取的控制,延迟应该最小化。这是大概由激光模块的供应商在制造中处理。.该模型还包括控制之间的绝缘环境和不受控制的环境。保温功能通过是保持损失率下降以便于温度控制装置能跟上损失。对于任何给定的系统，TEC-传感器时间常数和绝缘时间常数之间的比率越高，该的控制环路的性能越好。图 3 详细的 TEC 温度控制器示意图包括 A1 热敏电阻电桥放大器, LTC1923 切换控制器和输出功率马达定速模式。DAC 建立温度定位点。增益调整和补偿电容器优化环路增益带宽。各种 L
21、TC1923 输出允许监控 TEC 操作情况温度控制回路的优化温度控制回路的优化与激光模块的热特性有关。前面的部分强调 TEC-传感器时间常数和保温时间常量之间比率的重要性。决定这些信息现实的界限取决于可实现控制的增益带宽。图 5 显示的结果，一个典型的激光器模块进行在环境温度 40的步长变化。激光器模块的内部温度，由它的热敏电阻监测，绘制出在 TEC 无动力的情况下内部温度随时间变化的关系。对环境传感器滞后以分钟为单位的测量显示了一个典型的一阶响应。TEC 传感器集总延迟的特征在于通过操作在图 3 的电路中的激光器模块具有增益设定为最大值和没有安装电容来补偿。图 6 显示了大信号振荡产生的热
22、滞后主导循环。频率主要由 TEC-传感器的滞后来确定，意味着对多少环路带宽限制是可以实现的。此频率的激光器模块的热时间常数（图 5）的高.图 4 简化的 TEC 控制回路模型显示热条款。电阻和电容代表热阻分别和能力。伺服放大器增益带宽必须适应集总热条件提出的延迟为了避免不稳定比例是指一种简单的，主极点回路补偿是有效的。饱和度限制波形表明过量增益驱动回路充分冷却和加热状态。最后，将非对称的占空比反映 TEC 在冷却和加热方式的不同的热效率。图 5.环境对传感器滞后特性一个典型的激光模块设置按封装热阻和能力1. Williams, J., “A Monolithic Switching Regul
23、ator with100mV Output Noise,” Linear Technology Corporation,Application Note 70, October 1997.2. Williams, J., “Thermal Techniques in Measurementand Control Circuitry,” Linear Technology Corporation,Application Note 5, December 1984.3. Williams, J., “Temperature Controlling toMicrodegrees,” Massachusetts Institute of Technology Education Research Center, October 1971.4. Fulton, S. P., “The Thermal Enzyme Probe,” Thesis,Massachusetts Institute of Technology, 1975.
