敬奕艷

(深圳技術(shù)大學(xué) 新材料與新能源學(xué)院，廣東 深圳 518118)

0 引言

半導(dǎo)體熱電致冷器(thermo electric cooler，TEC)是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。珀?duì)柼?yīng)是指當(dāng)電流流過由兩種不同半導(dǎo)體材料組成的電偶對時(shí)，電偶對的一端放熱、另一端吸熱，如果改變電流流入的方向，放熱和吸熱的端也會(huì)隨之交換，這一點(diǎn)很適合既需升溫又需降溫的溫控應(yīng)用[1]。TEC溫控設(shè)備體積小、無噪音、無污染，廣泛應(yīng)用于光電、機(jī)電、醫(yī)療、汽車和通訊等領(lǐng)域[2]。比如TEC溫控系統(tǒng)已大量應(yīng)用于中、小功率的半導(dǎo)體激光器，使激光器溫度恒定，從而輸出的激光波長穩(wěn)定[3-4]。

目前，低電壓、小功率的TEC溫控系統(tǒng)已經(jīng)有了成熟的芯片方案，比如ADN8830,MAX1978,LTC1923等[5-7]，它們使用方便，溫控精度高，但只能用于額定電壓不超過5 V，電流不超過4 A的小功率TEC片。對于電壓更高，功率更大的應(yīng)用，目前沒有現(xiàn)成的芯片方案，需要自行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

TEC溫控系統(tǒng)的基本功能包括：設(shè)定被控溫對象的目標(biāo)溫度，采集并顯示當(dāng)前實(shí)際溫度，根據(jù)PID(比例、積分、微分)控制算法的計(jì)算結(jié)果，控制TEC片制冷或制熱的能力強(qiáng)弱，使系統(tǒng)溫度達(dá)到并維持在目標(biāo)溫度。為實(shí)現(xiàn)這些功能，TEC溫控系統(tǒng)一般是以單片機(jī)或FPGA為核心的小型控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用的AVR單片機(jī)ATmega128被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和儀器儀表等領(lǐng)域，是一款性能優(yōu)良、片上資源豐富、穩(wěn)定性高的芯片。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

考慮將此溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成既可以獨(dú)立工作，又能方便地加入到別的系統(tǒng)中作為一個(gè)板卡部件的產(chǎn)品，該系統(tǒng)的設(shè)定溫度，可通過按鍵輸入，或通過串口從上位機(jī)或其它系統(tǒng)接收指令。設(shè)置有液晶模塊插座，液晶屏可顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度信息，或不使用液晶屏，通過串口輸出信息。

選擇溫度傳感器，很重要的因素是精度要高，是溫度采集準(zhǔn)確的必要條件。常用的溫度傳感器有NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)，PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)，數(shù)字溫度傳感器DS18B20等，其中，NTC和PTC的測溫精度較高。如果對溫度精度的要求不高，可選用DS18B20，溫度的采集最容易實(shí)現(xiàn)，可以省去溫度到電壓的轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換，查表等硬件、軟件操作，系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。目前TEC溫控系統(tǒng)常應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器類的產(chǎn)品，很多激光模組內(nèi)部集成了NTC，同時(shí)還考慮實(shí)現(xiàn)較高的測溫精度，因此本設(shè)計(jì)采用精度為0.5%，B值為3435的NTC采集溫度。需要設(shè)計(jì)溫度采集電路，將由溫度變化引起的阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓的變化，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量才能送入單片機(jī)進(jìn)行下一步處理。

TEC片有正負(fù)兩極，工作時(shí)需在兩極間接入直流電壓。用TEC片制冷或制熱，關(guān)鍵在于控制TEC片中電流的方向和大小。一些小功率的TEC溫控采用線性方式控制，優(yōu)點(diǎn)是符合TEC片對電壓紋波小的要求，缺點(diǎn)是控制用的三極管效率低，發(fā)熱多，溫度很高。為滿足本系統(tǒng)的大功率要求，即高電壓或大電流，提升效率，減少電路元器件發(fā)熱量，必須采用場效應(yīng)管的H橋電路來控制電流流向，用PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號的占空比來控制電流大小，這是一種開關(guān)控制方式，可能出現(xiàn)輸出電壓紋波較大的問題，需增加濾波電路來盡可能削弱紋波。本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是：TEC工作電壓范圍6～24 V，峰值電流≤20 A，控溫范圍：0～70 ℃，控溫精度±0.05 ℃。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 NTC溫度采集電路

設(shè)某時(shí)刻N(yùn)TC的阻值為RNTC，則采樣電壓VADC1的計(jì)算式為：

(1)

將NTC電阻接于插座XS1。當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，阻值為10 kΩ。因?yàn)楹蠼拥腁DC(模數(shù)轉(zhuǎn)化)器件的輸入電壓范圍在0 V以上，而本設(shè)計(jì)的控溫范圍在0 ℃到70 ℃之間，所以當(dāng)溫度為25 ℃，即NTC阻值為10 kΩ時(shí)，希望輸出電壓在相對中間的位置，于是給運(yùn)算放大器U1A的同相輸入端設(shè)置了半電壓2.5 V。為了配合不同的ADC取樣電壓范圍，比如0～5 V，0～2.5 V，0～4.096 V等，可適度調(diào)整R5和R6的阻值，使得整個(gè)設(shè)計(jì)控溫范圍對應(yīng)的電壓量都能處于ADC取樣電壓范圍內(nèi)。通過U1A放大得到電壓量后，再經(jīng)過一級電壓跟隨器，增大帶負(fù)載能力，接入到后級ADC。為了提高取樣精度，各電阻應(yīng)采用1%或更高的精度。這里用到兩個(gè)運(yùn)放，可選用軌到軌的雙運(yùn)放封裝的型號,本設(shè)計(jì)采用OPA2348A。

圖2 NTC溫度采集電路

2.2 ADC電路

選用了SPI接口的12bit串行ADC器件AD7888，將模擬電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便送入單片機(jī)進(jìn)行溫度顯示和溫度控制處理。AD7888的SPI接口有四條信號線，分別與AVR單片機(jī)SPI接口的四個(gè)引腳相連。在圖3中，是片選信號，當(dāng)需要AD7888工作時(shí)，ADCLK是時(shí)鐘線，在當(dāng)前應(yīng)用中，AD7888是從屬器件，時(shí)鐘由控制器件單片機(jī)輸出。DIN是AD7888控制字輸入，控制字決定其工作模式，模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓的來源等。DOUT是模數(shù)轉(zhuǎn)化的結(jié)果輸出。VREF是參考電壓，當(dāng)前設(shè)計(jì)是采用AD7888外部的電壓基準(zhǔn)，是由一顆LM4040AIM3-4.096 V產(chǎn)生的，電壓精度為±0.1%。NTC溫度采集電路得到的電壓量從AIN1腳輸入。AD7888的供電腳5 V要做好濾波，圖中接了10 μF,0.1 μF,0.01 μF 3個(gè)陶瓷電容到地。沒有用到的輸入腳AIN2-AIN8不能懸空，要接地，避免引入干擾。

圖3 ADC電路

2.3 TEC驅(qū)動(dòng)電路

在一般設(shè)計(jì)中，H橋電路由4個(gè)場效應(yīng)管組成，通過4個(gè)柵極電壓控制各個(gè)場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，從而控制流過TEC片的直流電流的方向。本設(shè)計(jì)采用集成電路BTN7971B，每片包含一個(gè)上管PMOS、一個(gè)下管NMOS構(gòu)成半橋以及一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，兩片配合可構(gòu)成H形全橋電路。

圖4 TEC驅(qū)動(dòng)電路

選用BTN7971B的原因主要是它的參數(shù)與本設(shè)計(jì)的指標(biāo)較為匹配，能滿足輸入電壓、電流范圍，內(nèi)部場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻很小，小于20 mΩ，在大電流情況下器件的發(fā)熱量相對小，很適合用于較高電壓、較大電流的TEC溫控電路。配合外部電路，BTN7971B容易實(shí)現(xiàn)過溫、過流、過壓等保護(hù)以及電流上升斜率調(diào)整功能，在大功率應(yīng)用條件下，比簡單地用4個(gè)場效應(yīng)管構(gòu)成H橋的安全性有很大提升，也比額外增加各種保護(hù)電路更簡單和經(jīng)濟(jì)。此外，用4個(gè)場效應(yīng)管來做H橋電路，需要4個(gè)電壓控制信號來分別控制4個(gè)場效應(yīng)管，要做好信號之間的配合，避開“死區(qū)”時(shí)間。“死區(qū)”是指H橋電路同一側(cè)的上管和下管在較短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通，這會(huì)導(dǎo)致電源對地短路。而采用BTN7971B，可自動(dòng)避免“死區(qū)”問題，只需2個(gè)控制信號就可驅(qū)動(dòng)，簡化了電路和軟件設(shè)計(jì)。

2.4 PCB設(shè)計(jì)重點(diǎn)

PCB設(shè)計(jì)是該溫控系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面。ADC的模擬量輸入和參考電壓基準(zhǔn)的走線都要盡量短，避開干擾源，在走線兩側(cè)伴著走地線，做好防護(hù)；電路主要分為單片機(jī)小信號和TEC大電流驅(qū)動(dòng)兩部分，兩者的地要分割，只在一點(diǎn)連接；大電流工作部分的走線都采用了較寬的銅箔，并均勻打上很多大過孔實(shí)現(xiàn)良好散熱；兩片BTN7971B是板上溫度較高的器件，一方面利用板上銅箔輔助散熱，另一方面預(yù)留了金屬熱沉的安裝位置。

電路部分還包含ATmega128單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵電路、串口電平轉(zhuǎn)換和從系統(tǒng)供電到5 V的轉(zhuǎn)化電路等，這里就不展開詳述。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序main()函數(shù)首先是對系統(tǒng)各組成模塊，包括按鍵、液晶顯示、SPI接口、串口、定時(shí)器和PID參數(shù)進(jìn)行初始化，程序主體包含一個(gè)大循環(huán)，圖5的流程圖是此循環(huán)中的一次流程。通過2按鍵方式輸入所需控制溫度，獲取AD7888轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量，通過查表方式找到當(dāng)前的實(shí)際溫度。調(diào)用液晶屏顯示函數(shù)，顯示當(dāng)前溫度。編寫PID計(jì)算函數(shù)，采用了分段計(jì)算方式，當(dāng)控制溫度與實(shí)際溫度的差值在-2到2 ℃范圍內(nèi)時(shí)才計(jì)算PID控制量。與PWM生成模塊的占空比調(diào)整范圍匹配，根據(jù)PID控制量輸出占空比，根據(jù)溫度差值是正或負(fù)，輸出控制方向是加熱或制冷。

圖5 溫控軟件流程圖

3.1 ADC芯片AD7888的寫和讀操作

在AD7888開啟模數(shù)轉(zhuǎn)換功能之前，需要單片機(jī)向其寫入控制字，設(shè)置當(dāng)前進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬輸入通道(8個(gè)通道中的某一個(gè))、參考電壓來源、AD7888工作模式。開啟轉(zhuǎn)換功能后，單片機(jī)需要定時(shí)從AD7888讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，軟件需要編寫AD7888的寫入和讀取函數(shù)。由于ATmega128具備SPI接口，可與AD7888通過SPI通信，使得讀、寫都能夠以一個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行，避免了繁瑣的按位操作，簡化了軟件設(shè)計(jì)。ATmega128的SPI接口需要根據(jù)AD7888的讀、寫時(shí)序要求進(jìn)行初始化。

void WriteToAD7888(uchar CtrlWord) //AD7888控制字寫入函數(shù)

{

uchar ControlValue = 0; //定義無符號字符型變量

ControlValue= CtrlWord; //將控制字賦給變量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=ControlValue; //將控制字送入SPI數(shù)據(jù)寄存器

while(!(SPSR&(1<

//否為1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

PORTB|=0x01; //拉高CS，結(jié)束寫操作

}

uint ReadFromAD7888(void) //AD7888讀取函數(shù)

{

uint tem_h,tem_l,tem_1,tem_2; //定義無符號整型變量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=0x00; //寫入任意一字節(jié)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)移位

while(!(SPSR&(1<

//1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

tem_h=SPDR; //讀取高字節(jié)

SPDR=0x00; //寫入任意一字節(jié)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)移位

while(!(SPSR&(1<

//1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

tem_l=SPDR; //讀取低字節(jié)

Delay_us(10); //延時(shí)10us

PORTB|=0x01; //拉高CS，結(jié)束讀操作

tem_1=tem_h*256;

tem_2=tem_1+tem_l;

TEMP=tem_2; //TEMP是采樣到的ADC的數(shù)值

return TEMP; //函數(shù)返回ADC值

}

在主程序中，對AD7888寫入的控制字是0x04，連續(xù)讀取4次AD轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均值，得到比較精確的數(shù)字量，從而獲得更高的轉(zhuǎn)換精度。

3.2 PID控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)

PID控制算法一般有位置式和增量式兩大類，相比而言，增量式的計(jì)算量小。本設(shè)計(jì)嘗試了這兩種算法，位置式在當(dāng)前的應(yīng)用中表現(xiàn)更好，因此選擇了位置式PID算法，計(jì)算式如下：

(2)

(3)

因?yàn)镺UT的計(jì)算中涉及浮點(diǎn)數(shù)，計(jì)算量非常大，所以采用了分段計(jì)算方法：當(dāng)|EK|≥2時(shí)，即當(dāng)前溫度與控制溫度還相差較大時(shí)，不計(jì)算PID控制量OUT，直接用最大的控制量，即全速的加熱或制冷；當(dāng)|EK|<2時(shí)，按公式(3)計(jì)算OUT。

pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek; //比例輸出

pid.SEk+=pid.Ek; //歷史偏差總和

DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1; //最近兩次偏差之差

ti=pid.T/pid.Ti;

ki=ti*pid.Kp; //Ki積分系數(shù)

pid.Iout=ki*pid.SEk; //積分輸出

td=pid.Td/pid.T;

kd=pid.Kp*td; //Kd微分系數(shù)

pid.Dout=kd*DelEk; //微分輸出

out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout; //PID控制量

3.3 TEC驅(qū)動(dòng)電路的控制信號產(chǎn)生

前述的TEC驅(qū)動(dòng)電路需要兩個(gè)控制信號：PWM#和DIREC#，都是由ATmega128產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)采用ATmega128的定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C3來產(chǎn)生PWM信號，輸出引腳是PE3，產(chǎn)生的PWM波形頻率為15.625 KHz。DIREC#信號的輸出引腳是PE4，是用作普通I/O，產(chǎn)生高或低電平。軟件首先需要設(shè)置輸出信號引腳狀態(tài)，開啟10位快速PWM功能，編寫了PWM_init函數(shù)。

void PWM_init(void)

{

DDRE |=0x1A; //設(shè)置PE3和PE4為輸出

PORTE &=0xF7; //設(shè)置PE3內(nèi)部無上拉，PE4為內(nèi)部上拉

TCCR3A=0x83; //T/C3的通道A設(shè)置為比較輸出模式

TCCR3B=0x09; //采用10位快速PWM模式，top值為0x03FF(1023)

TCNT3=0X0000; //設(shè)置定時(shí)器3的初始值為0

OCR3A=512; //設(shè)置初始占空比為512/1024=0.5

ETIMSK=0X00; //T/C3的中斷屏蔽寄存器設(shè)置

}

根據(jù)PID控制量OUT的計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生不同占空比的PWM信號的代碼：

if(pid.Ek > 0)

{

PORTE &= ～(1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 1023; } //OCR3A的最大值是1023

else

{ OCR3A = fround(fabs(out)); } //將OUT值取絕對值、取整，作為OCR3A

}

else if(pid.Ek <= 0)

{

PORTE |= (1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 0; } //OCR3A的最小值是0

else

{ OCR3A = 1023-fround(fabs(out)); }

}

pid.Ek_1=pid.Ek; //將當(dāng)前誤差賦值給上一次誤差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，主要使用4 Ω/50 W的鋁殼電阻進(jìn)行試驗(yàn)。鋁殼電阻兩端接12 V直流電壓，發(fā)熱功率約為36 W，能模擬該TEC溫控系統(tǒng)的一般應(yīng)用條件。采用100×100×5(mm)的紫銅板作為導(dǎo)熱金屬板，可為2塊TEC片同時(shí)導(dǎo)熱。TEC片的制冷面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，與紫銅板的一面緊密接觸，鋁殼電阻固定在紫銅板的另一面中心部位，在紫銅板上鋁殼電阻旁邊位置鉆有小孔，將NTC的感溫部分完全埋置其中，并以AB膠封孔。TEC片的制熱面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，與一個(gè)較大體積的金屬熱沉緊密接觸，并安裝有風(fēng)扇順著熱沉的導(dǎo)熱方向吹風(fēng)，帶走熱量。設(shè)計(jì)一個(gè)良好的散熱、導(dǎo)熱和感溫的實(shí)驗(yàn)裝置對TEC溫控應(yīng)用是非常重要的，如果TEC片熱面的熱量不能及時(shí)帶走，溫度過高，冷面就不能輸出低溫。

該TEC溫控系統(tǒng)支持的TEC片額定電壓范圍寬，為6～24 V，峰值電流可達(dá)20 A，可支持多種型號的TEC片單獨(dú)使用，還可將TEC片串聯(lián)或并聯(lián)使用，以獲得更大的制冷或制熱功率。在試驗(yàn)中，將2塊型號為12708(額定電壓12 V，額定電流8 A)的TEC片串聯(lián)使用，對多種不同溫度的升溫或降溫控制進(jìn)行了調(diào)試。

將此溫控系統(tǒng)應(yīng)用在一個(gè)出纖光功率最大為16 W的793 nm半導(dǎo)體激光器上，將激光器的溫度控制在25 ℃，激光器內(nèi)置NTC和TEC片。從激光器閾值電流0.5 A到最大電流2.5 A的范圍內(nèi)，選取不同的電流值來測試溫控系統(tǒng)的控溫能力。經(jīng)過多次重復(fù)測試，溫度波動(dòng)能保持在±0.05 ℃以內(nèi)，從起控到溫度穩(wěn)定的時(shí)間一般在10分鐘以內(nèi)。圖6和圖7是當(dāng)環(huán)境溫度為28 ℃，激光器工作電流為2 A，初始溫度為40 ℃，控溫到25 ℃的溫度變化過程。每30秒記錄一次溫度，約5分鐘后，溫度到達(dá)25 ℃附近，此后存在小幅波動(dòng)，在±0.05 ℃范圍內(nèi)。

圖6 從初始溫度40 ℃控溫到25 ℃

圖7 溫度達(dá)到25 ℃后的變化情況

因?yàn)門EC溫控系統(tǒng)是由多個(gè)部分組成的整體，受到多方面的影響，比如被控對象的形態(tài)，溫度傳感器的固定位置和方式，TEC片的選型和組合，散熱條件等，都會(huì)影響控溫效果。從實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，一組PID參數(shù)(Kp,Ki,Kd)可能無法滿足整個(gè)控溫范圍內(nèi)的要求，可在軟件中根據(jù)條件設(shè)置幾組PID參數(shù)，也可開放用戶微調(diào)PID參數(shù)的功能。

5 結(jié)束語

基于ATmega128的TEC溫控系統(tǒng)基本上滿足了較大功率TEC片的應(yīng)用需求，在控溫精度方面的表現(xiàn)較好，在調(diào)試和測試的過程中，也表現(xiàn)出較好的可靠性和穩(wěn)定性。后續(xù)還將繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，改用16bit的ADC器件，提高測溫精度。PID算法改用變速積分增量方式，有望降低計(jì)算復(fù)雜度，加快控溫響應(yīng)速度，提高控溫精度?，F(xiàn)有的PWM頻率較低，可提高PWM頻率，就能夠減小LC濾波的電感量，從而縮小電感的體積，減輕重量?？商岣逷WM占空比調(diào)整的精細(xì)程序，從而提高控溫精度。電路板還可優(yōu)化縮小，使其更便于嵌入到小體積產(chǎn)品中。目前，TEC溫控系統(tǒng)在各種儀器設(shè)備和生活電器等領(lǐng)域有了越來越廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)的TEC溫控系統(tǒng)也可嘗試與各種其它產(chǎn)品進(jìn)行融合。