激光二極管溫度控制系統(tǒng)設計.doc

YanCheng Institute of Technology 課程設計說明書課程名稱 智能儀器設計課程設計 設計題目激光二極管溫度控制系統(tǒng)設計專業(yè) 自動化學生姓名 劉玉龍 班級 B自動化103班 學號 1010603317 完成日期 2013年12月19日 鹽城工學院電氣學院目錄1 緒論21.1 激光二極管的特點及應用21.2 激光二極管溫度控制技術研究現(xiàn)狀21.3 本課題的基本要求及主要研究內容22 激光二極管溫度控制系統(tǒng)的方案設計32.1 溫控系統(tǒng)軟件結構與流程圖.42.2 系統(tǒng)數據顯示模塊.53 系統(tǒng)硬件設計53.1 溫度傳感器及其處理電路63.1.1溫度傳感器與鉑熱電阻6 3.1.2鉑熱電阻處理電路133.2 單片機介紹143.3 A/D轉換器及其電路 .153.3.1 MAX187 特點.153.3.2 MAX187 管腳.163.3.3 MAX187 操作時序.17 3.3.4 MAX187 精度計算.183.3.5 MAX187 的源代碼程序.193.4 系統(tǒng)顯示電路.20 3.4.1 MAX7219 管腳. 213.4.2 MAX7219源代碼程序.223.5 半導體制冷硅(TEC)簡介.234 收獲和體會245 參考文獻266附錄6.1 電路設計總圖1 緒論一、背景及意義隨著電子技術的發(fā)展，人們的生活日趨數字化，單片機控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施就需要從數單片機技術入手，一切向著數字化控制，智能化控制方向發(fā)展。多功能的數字溫度計可以給我們的生活帶來很大的方便；支持“一線總線”接口的溫度傳感器簡化了數字溫度計的設計，降低了成本激光器的發(fā)明無疑是科學史上最偉大的發(fā)明之一，1960年5月，美國休斯頓實驗室的物理學家梅曼(T.H.Mainmna)正式宣布制成紅寶石激光器，開創(chuàng)了激光技術的先河。激光在現(xiàn)代工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、通訊、國防、科學等方面有著廣泛的應用，這與激光具有高亮度、高單色性、高方向性分不開。由于激光器有這些優(yōu)點，促使人們研制更好的激光器，推動了激光器的發(fā)展。關鍵詞：激光二極管溫度系統(tǒng) 半導體制冷器 LCD顯示技術 溫度傳感器1.1激光二極管(LD)的特點及應用 以半導體材料為工作物質的LD有如下一些特點:體積小，容易組裝進其它設備中;低功率、低電流(一般為2伏特電壓時巧毫安)直接抽運，可由統(tǒng)的晶體管電路直接驅動;能有效地將電能轉化為光能實際效率大于50%;能以2萬兆赫茲以上的頻率直接調制抽運電流，進而調制其輸出;能在單片上與電子場效應晶體管、微波振蕩管、雙極性晶體管以及V族半導體的光學部件形成集成光電子電路;基于半導體的制造技術，適用于大批量生產;在輸出光束大小上與典型的硅基光纖相容，能調節(jié)輸出光束的波長使其工作在這類光纖的低損耗、低色散區(qū)域。由于LD有上述良好的特點，在干涉測量、固體激光器和光存儲等技術領域有著廣泛的應用，引起人們極大的關注和濃厚的研究興趣，近年來半導體激光器得到了迅速發(fā)展。隨著半導體激光器功率的增大，激光器自身的溫度變化對激光器輸出性能的影響就比較明顯了(如在LD作為固體激光器泵浦源時產生的波長漂移0.30. 4nm/)，所以工程中對LD溫度進行控制是十分必要的。本溫度控制系統(tǒng)的被控對象是中小型功率LD產生的溫度。目前中小型功率的DL在科研、國防、工業(yè)中應用廣泛，因此對它的溫度控制有很大的現(xiàn)實及經濟意義。1.2 LD溫度控制技術研究現(xiàn)狀激光二極管工作時，其值電流和功率穩(wěn)定性對溫度敏感。隨著溫度的提高，需要有更多的載流子注入來維持所需的粒子數反轉。典型LD在不同的溫度下的激光輸出功率與正向工作電流關系如下:1）在同一溫度條件下，當正向工作電流小于某一值時，激光輸出功率接近于零;而當正向工作電流超過該值時，激光的輸出功率隨正向工作電流的增長呈直線上升關系，這個值被稱為DL的值。2)值電流隨溫度的升高而升高，于是整個激光管的特性曲線基本上隨溫度的變化而平行移動。因此LD的性能受自身溫度影響較大，國內許多科研單位進行了各種嘗試，試圖找出各種控溫精確穩(wěn)定，價格適中的方案。國內外在此方面都作了很多研究，在測溫元件的選取，控制方法，和加熱制冷裝置方面做出了不同的嘗試，給這方面研究工作提供了寶貴經驗?？販鼐纫仓饾u提高(由1到0.1改變)。所有這一切推動了LD的廣泛應用，今后隨著LD控溫精度的提高，相信LD將會有更大的發(fā)展前景。1.3 本課題的基本要求及主要研究內容本課題基本要求:利用單片機對LD進行溫度控制。LD工作溫度設定范圍:1040，LD溫度測量精度為0.1，系統(tǒng)控溫精度達到0.2，當前溫度用LCD實時顯示出來。本課題主要研究內容:被控對象LD由于注入電流而產生的溫度信號經過傳感器及其處理電路(采樣保持、放大)，對LD溫度值和設定溫度值之間的偏差進行調整控制，輸出的數字控制量通過單片機來控制半導體制冷器元件，以控制LD溫度。本課題研究的重點是LD溫度在10一40范圍內，設計原理圖使本溫度控制系統(tǒng)的控溫精度達到0.1以內。2.系統(tǒng)的方案設計Pt100信號調理AT89C51半導體制冷硅顯示MAX187圖1：硬件結構圖 圖1中激光二極管產生的溫度信號經過溫度傳感器鉑熱電阻(Pt100)變成的電信號，經過放大、濾波等信號處理電路，由信號A/D轉換器送入到微控制器，與單片機系統(tǒng)所設置的溫度信號進行比較，使激光二極管溫度值在系統(tǒng)所要求的控溫精度范圍內，穩(wěn)定在設定的溫度點。2.1 溫控系統(tǒng)軟件結構與流程圖 根據系統(tǒng)設計要求，軟件設計采用了結構程序模塊化設計。本溫控系統(tǒng)軟件的總體可分為系統(tǒng)初始化模塊及系統(tǒng)數據顯示模塊二大部分。圖2所示的是系統(tǒng)總流程圖。 在本模塊內LD溫控系統(tǒng)首先設置硬件中芯片的地址，初始化系統(tǒng)MAX187與的數據顯示芯片MAX7219。系統(tǒng)剛開始工作時，設置MAX187輸出為10，使本溫控系統(tǒng)的執(zhí)行機構半導體制冷器處于不工作狀態(tài)。對于數據顯示芯片MAX7219設置包括BCD譯碼器、多位掃描電路、段驅動器、位驅動器和用于存放每個數據位的8x8靜態(tài)ARM以及數個工作寄存器，通過指令設置這些工作寄存器，可以使MAX7219進入不同的工作狀態(tài)。在本溫度控制系統(tǒng)中，設置MAX7219芯片的CBD譯碼寄存器為譯碼方式;掃描位數寄存器設置3位，即系統(tǒng)能顯示3位LED;亮度控制寄存器設置輸出電流的9/32;數位寄存器在系統(tǒng)開始時設置2004一07，即當LED顯示此數字時，就表示系統(tǒng)己正常工作了。系統(tǒng)正常工作后，首先測量激光二極管工作的環(huán)境溫度，即室溫，然后把系統(tǒng)最初的溫度設定量設置為室溫。這樣，本溫控系統(tǒng)就完成了初始化設置了。 開始系統(tǒng)初始化溫度采集與轉換系統(tǒng)數據顯示半導體制冷器大于等于20.2 圖2：系統(tǒng)控制模塊流程圖2.2 系統(tǒng)數據顯示模塊系統(tǒng)初始化后，發(fā)送數據采集指令，采集溫度數據。我們把溫度數據保存在微控制器的內存中，然后微控制器發(fā)送指令控制P2.0、P2.1、P2.2，按照MAX7219數字顯示時序，把溫度數據串行的傳送給MAX7219芯片進行顯示。這樣，就避免了微控制器直接定時對LED顯示，微控制器有更多的時間來控制被控對象的溫度。 3系統(tǒng)硬件設計本部分是系統(tǒng)的硬件電路設計部分，包括溫度傳感器及其處理電路設計、單片機接口電路設計、半導體制冷器的設計，實現(xiàn)了對激光二極管溫度信號的測量、控制及顯示。控制量通過單片機的輸出通道，控制半導體制冷器，進而實現(xiàn)系統(tǒng)對被控對象激光二極管的溫度控制。3.1溫度傳感器及其處理電路本節(jié)是系統(tǒng)的激光二極管溫度信號采集部分，激光二極管溫度信號是本溫控系統(tǒng)的信號源。激光二極管溫度的測量及控制精度都與溫度信號的提取(采集)有關，因此準確的溫度信號采集是十分重要的。溫度是非電量，溫度信號需用溫度傳感器變成電信號后進行采集，激光二極管溫度控制系統(tǒng)用的溫度傳感器是工程中常用的鉑熱電阻。3.1.1溫度傳感器與鉑熱電阻溫度是一個很重要的物理量，自然界中任何物理、化學過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在國民經濟各部門，如電力、化工、機械、冶金、農業(yè)、醫(yī)學等以及人們地日常生活中，溫度檢測與控制是十分必要的。在國防現(xiàn)代化及科學技術現(xiàn)代化中，溫度的精確檢測及控制更是必不可少的。溫度是表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的物理量，溫度單位是國際單位制中七個基本單位之一。由于溫度是非電量，因此，對溫度的檢測與控制需使用傳感器或溫度敏感元件。溫度傳感器種類很多，常用的溫度傳感器有熱膨脹式傳感器，電阻式傳感器，熱電偶傳感器，集成溫度傳感器等。針對本溫控系統(tǒng)溫度測量與控制的精度要求比較高，系統(tǒng)采用了線性度、測量精度與熱響應時間都比較好的鉑熱電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。 圖3：線性化電路圖 pt100 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的100 即表示它在0時阻值為100 歐姆，在100時它的阻值約為138.5 歐姆。它的工業(yè)原理：當PT100 在0 攝氏度的時候他的阻值為100 歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。 組成的部分:常見的pt1oo 感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經過復雜的工藝加工而成薄膜鉑電阻薄膜鉑電阻：用真空沉積的薄膜技術把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2 微米以內，用玻璃燒結料把Ni（或Pd）引線固定，經激光調阻制成薄膜元件。熱電偶熱電偶5是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號, 通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表， 測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。工作原理兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。 熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：1：熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫2度函數的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數；2 ：熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關；3：當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。將兩種不同材料的導體或半導體A 和B 焊接起來，構成一個閉合回路，如圖所示。當導體A 和B的兩個執(zhí)著點1 和2 之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。特點裝配簡單，更換方便壓簧式感溫元件，抗震性能好測量范圍大 機械強度高，耐壓性能好 耐高溫可達2400 度熱電偶 - 種類及結構形成（1）熱電偶的種類常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988 年1 月1 日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC 國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。(2)熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結構要求如下：組成熱電偶的兩個熱電極的焊接兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。常用熱電偶材料熱電偶分度號熱電極材料使用溫度范圍（）正極負極S 鉑銠合金（銠含量10 %） 純鉑0-1400R 鉑銠合金（銠含量13 %） 純鉑0-1400B 鉑銠合金（銠含量30%） 鉑銠合金（銠含量6% ） 0-1400K 鎳鉻鎳硅 -200-+1000T 純銅銅鎳 -200-+300J 鐵銅鎳 -200-+600N 鎳鉻硅鎳硅 -200-+1200E 鎳鉻銅鎳 -200-+700熱電偶的種類:裝配熱電偶4，鎧裝熱電偶，端面熱電偶，壓簧固定熱電偶，高溫熱電偶，鉑銠熱電偶，防腐熱電偶，耐磨熱電偶，高壓熱電偶，特殊熱電偶，手持式熱電偶，微型熱電偶，貴金屬熱電偶 ,快速熱電偶 ,鎢錸熱電偶等等。熱電偶的基本定律1，均質導體定律由同一種均質材料（導體或半導體）兩端焊接組成閉合回路，無論導體截面如何以及溫度如何分布，將不產生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。可見，熱電偶必須由兩種不同的均質導體或半導體構成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會產生附加熱電勢。2，中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導體定律。應用:依據中間導體定律，在熱電偶實際測溫應用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經連接導線與顯示儀表連接構成測溫系統(tǒng)。有人擔心用銅導線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV 值，在導線與熱電偶連接處產生的接觸電勢會使測量產生附加誤差。根據這個定律，是沒有這個誤差的！3，中間溫度定律熱電偶回路兩接點（溫度為T、T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn 時的熱電勢與在溫度為Tn、T0 時的熱電勢的代數和。Tn 稱中間溫度。應用:由于熱電偶E-T 之間通常呈非線性關系,當冷端溫度不為0時，不能利用已知回路實際熱電勢E（t,t0)直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回路實際熱電勢E（t,t0)直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進行修正4，參考電極定律這個定律是專業(yè)人士才研究、關注的，一般生產、使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標準電極，假設鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負極分別和標準電極配對，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。熱電偶3的安裝要求對熱電偶與熱電阻的安裝,應注意有利于測溫準確,安全可考及維修方便,而且不影響設備運行和生產操作.要滿足以上要求,在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點:1、為了使熱電偶和熱電阻的測量端與被測介質之間有充分的熱交換,應合理選擇測點位置,盡量避免在閥門,彎頭及管道和設備的死角附近裝設熱電偶或熱電阻.2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失,為了減少測量誤差,熱電偶和熱電阻應該有足夠的插入深度:(1)對于測量管道中心流體溫度的熱電偶,一般都應將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝).如被測流體的管道直徑是200 毫米,那熱電偶或熱電阻插入深度應選擇100 毫米;(2)對于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度),為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發(fā)生斷裂,可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶.淺插式的熱電偶保護套管,其插入主蒸汽管道的深度應不小于75mm;熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm;(3)假如需要測量是煙道內煙氣的溫度,盡管煙道直徑為4m,熱電偶或熱電阻插入深度1 m(4)當測量原件插入深度超過1m 時,應盡可能垂直安裝,或加裝支撐架和保護套管.故障處理案例熱電偶輸入產生故障判別法按照儀表接線圖進行正確接線通電后，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號，接著顯示儀表量程范圍，再測儀表下排的數碼管顯示設定溫度，儀表上排數碼管顯示測量溫度。若儀表上排數碼管顯示不是發(fā)熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產生故障,應作如下試驗：A）把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時，儀表上排數碼管顯示值約為室溫時，說明熱電偶內部連線開路，應更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調換儀表。B）把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運行正常的同種分度號儀表上接入的熱電偶，通電后，原故障儀表上排數碼管顯示發(fā)熱體溫度時，說明熱電偶內部連線開路，更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要更換儀表。C）把有故障的熱電偶從儀表上拆下來，用萬用表放在測量歐姆（R）*1 檔，用萬用表兩表棒去測熱電偶兩端，若萬用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內部連接開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應更換儀表。2）按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電后，儀表上排數碼管顯示有負值等現(xiàn)象，說明接入儀表的熱電偶“+”與“”接錯而造成的。只要重新調換一下即可。3）接線正確儀表在運行時，儀表上排數碼管顯示的溫度與實際測量的溫度相差30ºC60ºC。甚至相差更大，說明儀表的分度號與熱電偶的分度號搞錯。按熱電偶分度號B、S、K、E 等熱電偶的溫度（ºC）與毫伏（MV）值的對應關系來看，同樣溫度（ºC）的情況下，產生的毫伏值（MV）B 分度號最小，S 分度號次小，K 分度號較大，E 分度號最大，按照此原理來判別。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內產生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。因此，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。1熱電偶測溫基本原理將兩種不同材料的導體或半導體A 和B 焊接起來，構成一個閉合回路，如圖2-1-1 所示。當導體A 和B 的兩個執(zhí)著點1 和2 之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。2熱電偶的種類及結構形成（1）熱電偶的種類常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988 年1 月1 日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC 國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。(2)熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結構要求如下：組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。3熱電偶冷端的溫度補償由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100。4、熱電阻材料熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 圖4 為PT100熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實現(xiàn)了將溫度變化轉化為元件電阻的變化。它主要用于對溫度和溫度有關參數檢測與控制。人們把由金屬鉑制成的溫度傳感器成為鉑熱電阻。鉑熱電阻具有測溫范圍大、穩(wěn)定性好、示值復現(xiàn)性高和耐氧化等特點，常被用來作為國際標準溫度計。鉑電阻的非線性特征按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準，鉑電阻Pt100在0650范圍內，符合ITS一90的國際分度表函數R(t)可用式表示: R=R0(l+At+Bt2) （31）式中R，R0分別是t和0時的鉑電阻阻值，A=3.90802x10-1，B=-5.80195x10-2，其中，100就是鉑在0時的電阻值為100 ，即式(4一1)中R0=100。由式(4一)l可以看出，在0一650范圍內有非線性誤差，特別是溫度越高時，非線性越厲害。對本溫度控制系統(tǒng)，采用電橋電路來實現(xiàn)測量電路的線性化，如圖3。因此本溫控系統(tǒng)鉑熱電阻的溫度與電阻值的函數關系可用式表示為： R=R0(l+At) （32）對于本溫控系統(tǒng)，式中R0=100。，溫度t在10一40之間取值。3.1.2鉑熱電阻處理電路 由上可知:溫度t在10一40之間，鉑電阻的阻值R，與溫度t是線性關系，所以只要給鉑熱電阻通恒定電流，溫度信號就轉變成電信號。系統(tǒng)采用給鉑電阻供以恒定電流采集其上電壓的方法來采集溫度信號，在10時，鉑熱電阻的兩端電壓為V10=2.5977V，在40時，鉑熱電阻的兩端電壓為V40=2.8908V，V=0.2931V?？梢娪捎谑芰鬟^鉑熱電阻的電流比較小的限制，溫度在10一40變化時，鉑熱電阻的兩端電壓變化很小，為此采用圖4放大鉑熱電阻輸出的電信號，V1、V2接鉑電阻兩端， V0為輸出電壓，放大倍數為13(4.096/0.2401=13.97)，4.096V為MAX187內部基準電壓。由電路圖得： (V1-V2)/R3=(V4-V5)/R3=(V3-V6)/(R3+R1+R2) （33） R7*V6/(R6+R7)=R4*(V8-V3)(R4+R5)+V3 （34） (V0-V8)/(R8+R9)=V0/R9 （35）由于 R3= R4=R6=R5=R7=R8=R9=1K R1=R2=6K則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為 A f = 13 圖5：信號處理電路圖3.2單片機介紹 本部分是激光二極管溫度控制系統(tǒng)的數字電路，也是控制器硬件的核心部分，主要設計微控制器及其外圍接口電路，包括信號的輸入、輸出通道及系統(tǒng)數字顯示電路。如上節(jié)所述，被控對象激光二極管的溫度信號經過傳感器及放大電路后，生成04V的模擬電壓信號。微控制器需要的是數字信號，本節(jié)將論述信號之間轉換、信號的顯示及數字控制器的硬件電路部分。微控制器，亦稱單片機或單片微型計算機。它是把中央處理器(CUP)、隨機存取存儲器(ARM)、只讀存儲器(ORM)、輸入/輸出端口(I/0)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。它的結構與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設計的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應用。計算機的產生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微計算機(單片機)在這種情況下誕生了。從單片機出現(xiàn)至今，單片機廣泛應用在許多領域之中，從導彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網絡通訊與數據傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數據處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能CI卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。單片機的種類很多，有PIC系列、Motorola系列等，TI公司的MSP430系列單片機的應用目前增長較快。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能齊全、價格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇提供了很大的余地。本系統(tǒng)選用AT89C51作為CPU。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低功耗、低價格，高性能8位微處理器。該單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS一51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51的主要特性如下:與MCS一51兼容;4K字節(jié)可編程閃爍存儲器;壽命:1000寫/擦循環(huán)數據保留時間:10年;全靜態(tài)工作:OHz一24Hz;三級程序存儲器鎖定;128*8位內部RAM;32可編程1/0線;兩個16位定時器/計數器;5個中斷源;可編程串行通道;低功耗的閑置和掉電模式;片內振蕩器和時鐘電路等。AT89C51管腳如圖6圖6：AT89C51管腳圖3.3 A/D轉換器接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。單片機接口技術是研究單片機與外部芯片之間如何交換信息的技術，外部的各種信息通過輸入接口送入單片機，而單片機的各種信息通過輸出接口送到外部芯片中，因此單片機需通過信息轉換器件實現(xiàn)信息的交流與控制。人們把由模擬量到數字量轉換器件稱為模擬一數字轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC。A/D轉換器在數據采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。常用的A/D轉換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，前者轉換時間短(幾個微秒一幾百個微秒)，但抗干擾能力差;后者轉換時間長(幾十個毫秒幾百個毫秒)，抗干擾能力較強。因此在信號變化緩慢，現(xiàn)場干擾嚴重的場合，宜采用雙斜積分式A/D轉換器。A/D轉換器的主要技術指標有轉換時間、分辨率及線性誤差等。下面介紹本系統(tǒng)所用的MAX187 3.3.1 MAX187 特點 12 位分辨率; 單一+ 5V 工作電壓,工作電流1. 5mA ,關斷電流2A; 內部采樣/ 保持電路,75Ksps 采樣速率; 1/2LSB 整體非線形度; 內部4. 096V 基準電壓, 與SPI、QSPI 及Mi2crowire 兼容的3 線串行接口。3.3.2 MAX187 管腳 圖7：MAX187管腳圖VDD:電源端接+ 5V; AIN:采樣模擬信號輸入端,0VREF ; SHDN:三電平關閉輸入端; REF :用于模擬轉換的基準電壓端,使用外部基準電源時用作輸入; GND:模擬地和數字地; CS:片選信號輸入端; SCLK:串行時鐘輸入端; DOUT:串行數據輸入端,數據在SCLK下降沿輸出。3.3.3 MAX187 操作時序完整的操作時序如圖7所示。使用內參考時, 在電源開啟后, 經過20 ms 后參考引腳的4.7 F電容充電完成,可進行正常的轉換操作。A/D 轉換的工作過程是: 當CS為低電平時, 在下降沿MAX187 的T/H 電路進入保持狀態(tài), 并開始轉換, 8.5S 后DOUT 輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在SCLK 端輸入一串脈沖將結果從DOUT 端移出, 讀入單片機中處理。數據讀取完成后將CS置為高電平。要注意的是: 在CS置為低電平啟動A /D 轉換后, 檢測到DOUT 有效(或者延時8.5S 以上) , 才能發(fā)SCLK 移位脈沖讀數據, SCLK至少為13 個。發(fā)完脈沖后應將CS置為高電平。 圖8：MAX187操作時序圖1.4 MAX187精度計算MAX187的A/D位數是12 ，則 1/(213)=1/8192系統(tǒng)的精度是0.1，系統(tǒng)的溫度范圍是1040，系統(tǒng)的精度指標還有10倍的原則，則0.1/40/10=1/40001/81921/4000即可證明MAX187滿足系統(tǒng)精度要求3.3.5 MAX187的源代碼程序 MAX187 :SETB CS ；置CS 無效 CLR SCLKCLR SCLK ；SCLK初始化為低 RLC ANOP PUSH ACCNOP MOV A ,BCLR CS ；CS 有效 RLC AACALL D134NS ；調延時子程序 MOV B ,AACALL D134NS POP ACCNOP NOPSETB SCLK DJNZ R7 ,MAX1871NOP ACALL D134NSCLR SCLK ；轉換開始 SETB CS;片選信號無效, NOP RETMOV R7 , # 12 D134NS:MOV R7 , # 5；延時MOV A , # 0 ；A 累加器清零 D134NS1 :NOPMOV B , # 0 NOPMAX1871 :SETB SCLK ； 串行數據輸出 DJNZ R7 ,D134NS1 MOV C ,DOUT RET3.4 系統(tǒng)顯示電路本系統(tǒng)DL溫度數據顯示采用專用數碼管顯示芯片MAX7219，使用方便且硬件連線簡單，不占用數據存儲空間，不用單片機動態(tài)掃描，只需將要顯示的數字量串行送至相應的數字存儲器即可自動掃描及自動顯示，縮短了本溫度控制系統(tǒng)的采樣周期。MAX7219是一種高集成化的串行輸入/輸出的共陰極LDE顯示驅動器。每片可驅動8位7段加小數點的共陰極數碼管，可以數片級聯(lián)，而與微處理器的連接只需3根線。MAX7219內部設有掃描電路，除了更新顯示數據時從單片機接收數據外，平時獨立工作，極大地節(jié)省了MUC有限的運行時間和程序資源。3.4.1 MAX7219 管腳 圖9：MAX7219管腳圖DIN：為串行數據輸入端；CKL：當CKL為上升沿時，數據被載入16b內部移位寄存器;CLK為串行時鐘輸入端，其最大工作頻率可達10MHz；LAOD：為片選端，當LOAD為低電平時，芯片接收來自DIN的數據，接收完畢，LOAD回到高電平時，接收的數據將被鎖定；DIOGDIG7：為吸收顯示器共陰極電流的位驅動線，其最大值可達500mA，關閉狀態(tài)時，輸出；Vcc：電源端；SEGA一SEGG、DP：為驅動顯示器7段及小數點的輸出電流，一般為40mA左右，可軟件調整；GND：接地；DOUT：為串行數據輸出端，通常直接接入下一片MAX7219的DIN端。3.4.2 MAX7219源代碼程序ORG 0000HLJMP DISP ORG 0030H ；MAX7219 初始化 DISP：MOV A，0BH ；置MAX7219顯示位數寄存器地址 MOV B，02H ；選擇3位顯示方式(位0位2) LCALL W MAX7219 ；寫入MAX7219 MOV A，0AH ；置亮度寄存器地址 MOV B，08H ；選擇占空比 LCALL W MAX7219 ；寫入MAX7219 MOV A，09H ；置譯碼方式寄存器地址 MOV B，0FFH ；選擇BCD 譯碼方式 LCALL WMAX7219 ；寫入MAX7219 MOV A，0CH ；置關閉顯示寄存器地址 MOV B，01H ；選擇進入正常工作方式 LCALL WMAX7219 ；寫入MAX7219；顯示數據WMAX7219：CLR P2.2 ；指向AT89C51 顯示緩沖區(qū)首地址 MOV R1，00H ；指向第0 位LED MOV R2，03H ；置顯示器個數LOOP： MOV A，R0 ；取顯示緩沖區(qū)數據 MOV B，A ；數據送入B MOV A，R1 ；LED 顯示的位地址送A LCALL W MAX7219 ；寫入MAX7219 INC R0 ；指向下一個顯示數據 INC R1 ；指向下一位LEDDJNZ R2，LOOP ；未完繼續(xù)SJMP ；寫入MAX7219 子程序WMAX7219：CLR P2.2 ；將LOAD 信號拉低 LCALL WONE ；一字節(jié)地址寫入MAX7219 MOV A，B LCALL WONE ；一字節(jié)數據寫入MAX7219 NOP SETB P2.2 ；產生LOAD 上升沿信號，鎖存數據WONE： MOV R2，08H ；置串行移位計數值 NEXT： CLR P2.1 ；將CLK 信號拉低 RLC A ；A 中的值左移入C 中 MOV P2.0，C ；逐位送入DIN NOP SETB P2.1 ；產生CLK 上升沿信號，移入數據 DJNZ R2，NEXT ；未完繼續(xù) RET END3.5 半導體制冷硅(TEC)簡介半導體致冷器，也稱為溫差電致冷組件、電子致冷器或熱泵，利用拍耳帖(Peltier)效應而實現(xiàn)制冷或加熱的半導體元器件。拍耳帖效應是將電流以不同方向通過雙金屬片所構成的結時，能對其相接觸的物體致冷或加熱。當半導體致冷器冷熱端的溫差一定時，半導體致冷器的制冷量與工作電流成正比。如圖9所示，當半導體制冷器注入電流時，在半導體制冷器兩端將產生一定量的溫差。半導體制冷器具有如下特點:1、無機械運轉部件，故無噪聲、無振動、無磨損、壽命長、可靠性高。2、體積小，重量輕，致冷速度快，在適當條件下允許可逆操作，用于加熱。3、控溫精度高，有電即工作，無廢物產生，故對環(huán)境無任何污染等優(yōu)點。所以現(xiàn)今半導體制冷器在航空航天、家電、電子技術以及工業(yè)上有著廣泛的應用。 圖10：半導體制冷電路圖半導體制冷器采用導熱系數很高的銅作為熱沉，為激光二極管提供一個恒定溫度的表面，銅熱沉的大小關系著溫度控制的穩(wěn)定性和制冷速度。半導體致冷硅置于散熱片和銅熱沉之間抽運熱量。鉑電阻盡可能靠近激光二極管安裝。若激光二極管功率較大，可加強制風冷，以保證長時間可靠制冷。對于固定的制冷器結構和冷卻方式，影響制冷效果和溫差的關鍵因素是安裝質量和保溫性能。為了極大程度地減小制冷器端面與散熱片或熱沉端面間的熱