温度自动控制系统 武汉工业学院.docx

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温度自动控制系统武汉工业学院

温度自动控制系统

指导老师：

郑长征老师

参赛学生：

陈孟荣郑高李黎（大学三年级）

参赛学校及院系：

武汉工业学院电气信息工程系

摘要：

本温度自动控制系统以TI16Bit超低功耗单片机MSP430F247为核

心控制单元，以LTC1923PWM双极性电流控制器和大功率MOSFET构成的

半导体电热致冷器（TEC）功率驱动模块，以负温度系数NTC热敏电阻为温度

传感器把温度信号变为电参量信号，再变换成电压信号并放大后和DAC

TLV5616输出设定的目标温度电压值进行比较，得到的误差电压经PID补偿网

络调整后反馈到LTC1923的控制端，由LTC1923来控制功率驱动模块，从而对

木盒的温度进行准确稳定的控制。

关键字：

温度控制MSP430F247TECMOSFETLTC1923

Abstract

Thetemperaturecontrolsystemwithultra-lowpowerTI16Bitsingle-chip

MSP430F247asthecorecontrolunittobipolarLTC1923PWMcurrent

controllerandhigh-powerMOSFETconsistingofsemiconductor-electric

cooling（TEC）drivepowermoduletobeheldNTCtemperaturecoefficient

thermistortemperaturesensorforthetemperaturesignalintoelectrical

signalparameters,andthentransformintoavoltagesignalafterenlargeand

DACTLV5616andsetthetargettemperatureoutputvoltagevalues,

obtainedbytheerrorvoltagenetworkPIDcompensationadjustedLTC1923

feedbacktothecontrolside,theLTC1923powertocontrolthedrivemodule,

sothewoodenboxonastableandaccuratetemperaturecontrol.

Keywords:

temperaturecontrolMSP430F247TECMOSFETLTC1923

1.方案设计

1.1理论分析

根据设计要求用半导体致冷器件对一密封木盒

（100mm×100mm×100mm）内的温度实现准确，快速的控制。

设定的调节温

差为15℃时，要求在3分钟内达到稳定的目标温度。

超调量不超过3℃，且稳

定状态下的温度波动在±1℃以内。

并能记录并实时显示温度调节过程的曲线。

设计要求用的热电致冷器（TEC）是利用热电第二效应——帕耳贴（Peltier）效应

进行制冷或加热的半导体器件。

在TEC两端加上直流工作电压会使TEC的一

端致冷,另一端发热;把TEC两端的电压反向则会导致相反的结果。

由于在半

导体制冷器的冷端。

除了产生帕耳贴热Q1外，还有焦耳热Q2，和热端到冷端

的热Q3，温度达到平衡时，冷端产生的净热量Q为：

2

功耗的计算公式为：

P＝⊃2R＋〈⊃（T1－T2）

（式中：

K-器件的体热导率（总导率），R——器件的体电阻，T1冷端温度，

T2热端温度，⊃——工作电流

，〈——温差电动势率）

由以上可知：

当工作温度，半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的

大小只与控制电流的大小有关，工作的状况在制冷或是加热只与控制电流

的方向有关。

由于半导体材料阻值的非线性。

在同一电压下为获得不同温差

和吸热量，电流变化很大。

用TEC加热制冷，控制电流比电压好，因此通过控

制TEC的电流可以容易实现无“死区”温度控制。

温度传感器是测量盒子里空

气的温度，由于空气介质具有热惯性，而且在低温段惯性小，高温段惯性大，明

显呈非线性的特点。

所以在控制中或多或少都会出现超调，控制超调可以通过限

制电流来逐步逼近目标温度值，但又受到时间要求的制约。

但如果温度当前值和

设定的目标值相差不大时，此时流过TEC的电流应该很小（如果驱动电路控制

得当）。

出现超调后，我们可以让电流方向反向，并且其大小对应超调的量。

就

是说我们只要设计一个能产生差动电压随一电参量可变的电路，直接控制通过

TEC的电流，实现TEC电流的双向控制。

然后对温度采样后通过PID补偿网络

构成的反馈回路，有效的阻止TEC电流频繁的换向。

1.2选用芯片理由及介绍

主控芯片：

TIMSP430F247作用：

负责整个系统的控制，包括按键扫描，LCD

显示驱动，外置DAC，ADC的驱动，大量数据处理等。

特点：

16BitRISC结构,

内含32KB+256BFlashRom,4KBRAM片内还集成了3个基本时钟模块（最高频

率可达16M）、8通道12bit的ADC转换器、16bit的Timer_A3和Timer_B7比较/捕

获定时器、USCI（UART、SPI、I2C、IrDA），JTAG仿真接口，并且具有超低功

耗、速度更快（指令周期可达62.5ns），ESD保护，SVS，性能稳定等优点,同时

有多种省电模式，开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器等优点。

数模转换：

TITLV5616作用：

将设定的目标温度对应的12Bit的数值转换成相应

的模拟电压。

特点：

12Bit电压输出型，宽电压范围（2.7Vto5.5V）,线性度

高（.<0.5LSB），低功耗（0.9mWat3V）,速度快（3us建立时间），连线方便（使

Q＝Q1－Q2－Q3＝〈⊃T2－1⊃2R－K（T1－T2）

用SPI串口），操作简单。

数模转换：

TIADS7886作用：

将当前温度的电信号转换成数字量，供温度值通

过LCD实时显示出来。

我们之所以选择用外置的12BitADC，不用MSP430内部

的ADC12模块，是因为我们自制的单片机实验板为单面板，由于布线不良等原

因模拟信号和数字信号之间有较大干扰。

（当时发现的，MSP430ADC12十进

制后两位总在变，结果按上面方法，就这样解决了）。

特点：

12Bit有效精度SAR

核，速度1MSPS,2.35V-5.25V宽供电电压，线性度高INL±0.65LSB（Typical），

DNL+0.4/-0.65LSB（Typical），信噪比为72.25dBSINAD,-84dBTHD，数据

传输速度快，20MHz高速串行接口，体积小，接口及操作简单。

仪表运放：

INA2331作用：

一个通道用于将热敏电阻转换后的温度电信号的放

大，提高此信号的灵敏度及幅度，然后才输出至ADC。

另一通道用于和DAC的

输出目标设定值比较及放大。

特点：

高精度（G=5,0.02%），低功耗（静态电

流低至490uA,关断时0.01uA），温度稳定度达到2ppm/℃，低失调电压（±

250uV），共模抑制比可达94dB。

TEC驱动器：

LTC1923作用：

PWM输出驱动MOSFET形成双极性电流全桥驱

动器。

特点：

控制精度可达0.01℃，频率可达1MHz，占空比可达100％，高效，

低噪声，低EMI，双极性电流控制。

1.3设计方案论证：

功率驱动部分

方案一：

采用电磁继电器直接控制TEC，具有电路简单可靠，效率高的优点，

但在小容器内难以对温度进行精确控制。

方案二：

采用固态继电器。

它具有对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能

力强和使用方便等一系列优点。

但是其切换速度为几微秒到几十毫秒，在使用

PWM进行控制时，开关速度相对较慢，造成较大的纹波系数，导致TEC制冷

效率下降。

方案三：

采用集成芯片LTC1923控制由MOSFET构成的全桥，通过PWM改

变占空比从而改变TEC的电流大小和方向，达到加热，制冷和恒温的目的。

我

们采用第三种方案。

温度传感器的选择：

方案一：

采用数字式温度传感器18B20对温度进行测量，该温度传感器仅需

一根口线来读写，并且传递数据精度可以进行9位、10位、11位、12位选择等

优点，但是数据转换速度较慢，最高可达750ms。

方案二：

采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器对温度进行采集，该传感器

具有响应速度快，灵敏度最高等优点，并且在给定的温度范围（5℃~35℃）内

线性度很好，能满足精度要求，能够实时测量温度，可构成准确快响应的模拟控

制系统。

故采用此方案。

2．系统实现

2.1硬件设计

2.11系统框图

D/A

LTC1923

MSP430F24

INA2331

PID

120KHzPWM

A/D

NTC10K

MOSFET

TG12864

TEC

2.12不同功能单元之间的接口设计

A/D，D/A和单片机的接口如图一所示。

它们都使用了SPI三线串行接口和

单片机连接，即使用了MSP430的UCA0，UCB0硬件资源。

使硬件和软件的

设计更加简单。

D/A和A/D的参考电压都是由LTC1923的26脚提供的2.5V基

准电压。

模拟输入输出信号连接入INA2331运放模块。

图一

INA2331和D/A，A/D的模拟信号接口如图二。

INA2331通道A接成固定精密

的5倍放大器，通道A两个输入端R3，R4，R5和NTC10K热敏电阻构成差分

单桥电路。

输出接入A/D转换器。

通过调节VR1进行满幅度校准，使温度的量

程在0℃~40℃之间。

VR1在温度定标之后就不可再变。

TMP_VAL

VSET

VSET

VSET

图二

TG12864LCD，JTAG仿真接口的数据连接方法如图三，LCD通过SPI串口与

MSP430的UCB1模块连接。

通过UCB1模块可以将数据快速传输给NT7532，

且不需要检测忙信号。

MSP430通过JTAG仿真接口可以在线下载程序，单步运

行等，而不需要编程器来写。

使系统开发变得更简单。

图三

TEC驱动模块接口如图四。

LTC1923的4脚接入INA2331的通道B输出控制端。

8脚接入MSP430的一个I/O口用来使能驱动功率的输出。

当8脚电压>1.8V使能功

率模块，否则LTC1923使4个MOSFET都关断。

该引脚接入一个1UF电容以消除

开机时TEC的浪涌电流。

VSET

FULT

CNT

TEC

VSET

VSET

FULT

图四

2.13硬件设计注意事项及窍门

为了减少外界温度变化对系统产生的误差，小信号的处理我们使用了零飘移

仪表放大器。

并使用LTC1923内部提供稳定的2.5V基准电压作为INA2331，ADC

ADS7886及DACTLV5616的基准电压输入。

保证整个系统参考电压的一致性。

此外，基准电压输出我们用了一个10uf的钽电容和几个聚苯电容对其滤波。

还把

ADC和DAC的时钟线和数据线用地线隔开。

这样大大的减小了噪声及干扰。

设

计中还对ADS7886模拟输入信号进行低通滤波和采样保持，提高电路的稳定性。

使用了两片LTC1693双通道高速MOSFET驱动器，输出电压12V或0V，峰值电

流＋1.4A，－1.7A。

保证N，P沟道MOSFET都能工作在开关状态。

2.2软件设计，

2.21软件流程

Y

N

Y

|

|<0.1

N

DAC5616的驱动使用了UCB0硬件资源，设置方法如下：

#define

SET_FS

P2OUT|=BIT7

//FS置1

#define

CLR_FS

P2OUT&=~BIT7//FS清0

P2DIR|=0x80;

P3SEL|=0x0a;

SET_FS;

//P2.7为输出口DAC5616的FS

//P3.1，P3.3为模块功能

UCB0CTL0|=UCMSB+UCMST+UCSYNC;

UCB0CTL1|=UCSSEL_2;

UCB0BR0|=0x04;

UCB0BR1=0;

//3线,8-bitSPI主机

//选择SMCLK时钟源

//BRCLK=SMCLK/4

UCB0CTL1&=~UCSWRST;

//初始化USCIstatemachine

A/D

H0LD

/

/

TEC_EN

D/A

LCD

DAC输出的调用函数

入口参数：

num

voidoutdac5616（unsignedintnum）

{CLR_FS;

while（!

（IFG2&UCB0TXIFG））;

UCB0TXBUF=num>>8;

while（!

（IFG2&UCB0TXIFG））;

UCB0TXBUF=num;

Delayus（3）;

SET_FS;

}

ADC的设置方法也一样，不过单片机是从A/D读取数据，接收时先要发送0来

启动SPI串口，才能接收到外部AD的数据。

以下程序是用来接收外置ADC的

12Bbit的串行数据。

UCA0TXBUF=0;

while（!

（IFG2&UCA0RXIFG））;

data1=UCA0RXBUF;

UCA0TXBUF=0;

//DummywritetostartSPI

//RXBUFready?

datareceived?

?

//R15=00|MSB-Q9-Q2

//DummywritetostartSPI

while（!

（IFG2&UCA0RXIFG））;//RXBUFready?

datareceived?

?

data2=UCA0RXBUF;

data1=data1&0X000F;

data1=data1<<8;

data1=data1+data2;

//拼成一个字

2.2.2

MSP430单片机的使用

我们使用功能强大的IAREW嵌入式开发环境，新建一个工程环境，主要设置

有单片机的型号，使用仿真器的接口类型，选择是硬件仿真或是软件仿真这几项

就能使用了。

2.2.3编程感想

MSP430单片机使用C语言来编程简单易学，代码执行效率高。

在学习中，先

要熟悉MSP430的硬件资源，了解各个寄存器的功能及设置。

同时TI公司也公

布了大量的代码例程，这给我们初学者带来很大的方便。

3作品性能测试与分析

测试仪器与设备：

FLUKE—17B万用表（带温度和频率测量功能）

20MHz双通道数字示波器

JD-II电子秒表

直流稳压电源

（1）测试方案与测试条件

实验室温度28℃。

万用表温度探头和本系统温度传感器通过软胶布固定在一起，

以保证两个传感器的温度采样点一致，使温度测量准确。

检查无误后，接通电源，

初始显示正常，设置好目标温度按开始键并启动秒表计时，记录数据：

（2）测试结果

从32℃降22℃

32－22℃

时间（S）

0

20

40

60

80

100

120

140

当前显示温度

32.029.824.621.722.822.222.021.5

FLUKE17B测得温度

32.129.724.521.722.722.121.921.4

从22℃降12℃

22－12℃

时间（S）

0

20

40

60

80

100

120

140

当前显示温度

22.120.417.614.813.211.212.312.0

FLUKE17B测得温度

22.020.517.414.613.311.312.411.9

（3）测试结果分析

由以上数据结果可得，本系统能够很精确的控制温度，超调量很小，效率高。

用了两片TEC并联使用，在散热端用了水冷装置。

使系统的响应更快。

由于系统

而非电子器件的热属性导致有限的温度控制回路静态稳定性，同时系统在不同环

境中的热梯度的影响，使温度的稳定性只能达到±0.5℃左右。

解决方法可以在

系统中加入热梯度补偿网络。

参考文献：

1．赵茂泰，智能仪器原理及应用（第二版），电子工业出版社2004.7

2.秦龙,MSP430单片机应用系统开发典型实例，北京：

中国电力出版社，2005

3.沈建华，杨艳琴，瞿骁曙，MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计，

北京：

清华大学出版社，2005

4.秦龙，MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲，电子工业出版社，2006

附录: