基于MSP430的SLED控制系统的设计
电路中桥式放大器采用了美信公司的MAX4194。它是一种微功耗、单电源、满摆幅、精密、增益可调的仪表放大器,非常适合于做桥式放大器使用。但MAX4194的输出电压范围不适合MSP430F449单片机的输出量程,后面还需要加上信号调理电路,将信号调整到0~2.5V的输入电压范围。本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/173738.htm
MSP430的ADC基准有片内和片外两种。虽然选用片内基准就可以不外接,减小电路的复杂程度,但因为所需的转换精度较高,且片内基准的温度系数较大(100×10-6/℃),这里选用了精度比较高的片外基准电压源MAX6173。它的输入电压为4.5~40V,输出电压为2.5V,最大温度系数为3×10-6/℃,可以达到设计要求。
2 TEC控制电路设计
TEC控制器按输出的工作模式可分成线性和开关两种。传统SLED的温度控制大多采用线性模式的TEC控制器,一个简单的线性驱动 TEC电路由两个推挽功率三极管构成,虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点,但功率效率低,控制精度不高,电路集成度较低,而且存在温度控制“死区”问题。
本系统采用美信公司的MAX1968,它是一款适用于 Pehier TEC模块的开关型驱动芯片,工作于单电源,能够提供±3 A双极性输出,采用直接的电流控制。MAX1968用于设定和稳定TEC的温度,每个加载在 MAX1968电流控制输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对SLED供热或制冷。SLED的温度由温度采集电路采集后,再经内部单片机运算后反馈给MAX1968,用于调整系统回路和驱动TEC工作。
图4 温度控制原理图
图4为SLED温度控制电路原理图。在电路中,MAXIP和MAXIN引脚的电压用来控制流过TEC的最大正向和反向驱动电流,MAXIV引脚的电压用来设置TEC的最大驱动电压。通过一个分压电路来实现各个引脚电压的设定,如图4所示。CS和OS1引脚之间的电阻RSENSE用来设置流过TEC的最大工作电流,这里选用了200mΩ的电阻。当VCTLI>1.5V时,MAX1968制冷,反之制热。在实际应用中,根据驱动不同的SLED光源组件,合理设置参数即可。
系统中主控回路采用负反馈,将温度传感器输出的电压与给定电压比较,所得误差值经PID控制算法处理后,经过DAC,送入MAX1968,以控制 TEC上的电压、电流的大小和方向,进而实现制冷或制热。
3 控制方法
在系统中利用单片机作为微控制器,通过ADC、DAC转换和PID算法,输出模拟量给MAX1968的CTLI,以驱动TEC实现对SLED的加热或制冷。这种软硬件结合的方法,大大提高了整个系统的稳定性和精度。
由于PID控制器具有稳态误差小、动态性能好、控制精度高等特点,所以在温度控制系统中引入数字PID算法,其离散化的表达式为
Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei]
式中,ui是第i次PID运算输出量,经DAC转换后送给温度控制电路;ei=w-yi,yi是第次温度采样值,w是设定温度下温度采样的理论值;Δei=ei-ei-1,Δ2ei=Δe-Δei-1.
P、I、D分别是PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。通过调节这三个参数,可以使得温控系统处于一个控制快速,准确的工作状态。
键盘和显示电路的设计
键盘采用3键式独立按键,可以实现对PID控制算法三个参数的设置以及报警等功能的设计。由于MSP430的P1口具有中断功能,因此键盘软件的编写采用中断的方式来实现。显示电路采用RT1602C,这是一种能同时显示16×2个字符的液晶,内部存贮有常用的点阵字符图形,方便易用。由于是5V电压操作,而MSP430单片机在3.3V工作,因此采用了一个电平转换芯片SN74LVC4245DB来完成转换。
实验结果
该系统在室温下对功率为0.2mW左右的SLED光源组件DL-CS5029N进行试验,实验结果表明:其稳定度优于0.1%。
结语
采用“数控恒流源+高精度温控”的方案,设计了SLED控制系统,并且在系统内引入了PID 控制算法。通过多次试验表明,SLED光源可以显著提高光源出纤光功率的稳定性。数字控制方法是目前比较理想的驱动方案,具有较好的发展前途。
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