《2022年激光二极管温度控制系统方案设计书 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年激光二极管温度控制系统方案设计书 .pdf（27页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、课程设计说明书课程名称智能仪器设计课程设计设计题目激光二极管温度控制系统设计专业自动化学生姓名刘玉龙班级 B自动化 103班学号 1010603317 完成日期 2013年 12月 19日盐城工学院电气学院YanCheng Institute of Technology 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 27 页目录1 绪论2 1.1 激光二极管的特点及应用2 1.2 激光二极管温度控制技术研究现状2 1.3 本课题的基本要求及主要研究内容2 2 激光二极管温度控制系统的方案设计3 2.1 温控系统软件结构与流程图.4 2
2、.2 系统数据显示模块.5 3 系统硬件设计5 3.1 温度传感器及其处理电路6 3.1.1温度传感器与铂热电阻6 3.1.2 铂热电阻处理电路13 3.2 单片机介绍 14 3.3 A/D转换器及其电路.153.3.1MAX187 特点.153.3.2 MAX187 管脚.163.3.3 MAX187 操作时序.17 3.3.4 MAX187 精度计算 .183.3.5 MAX187 的源代码程序.19 3.4 系统显示电路.20 3.4.1MAX7219管脚 . 21 3.4.2MAX7219 源代码程序 .223.5半导体制冷硅 (TEC) 简介 .23 4 收获和体会24 5 参考文献
3、26 6 附录6.1 电路设计总图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 27 页1 绪论一、背景及意义随着电子技术的发展，人们的生活日趋数字化，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本激光器的发明无疑是科学史上
4、最伟大的发明之一，1960 年 5 月，美国休斯顿实验室的物理学家梅曼(T.H.Mainmna) 正式宣布制成红宝石激光器，开创了激光技术的先河。激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学等方面有着广泛的应用，这与激光具有高亮度、高单色性、高方向性分不开。由于激光器有这些优点，促使人们研制更好的激光器，推动了激光器的发展。关键词：激光二极管温度系统半导体制冷器 LCD 显示技术温度传感器1.1激光二极管 (LD)的特点及应用以半导体材料为工作物质的LD 有如下一些特点 : 体积小，容易组装进其它设备中。低功率、低电流 (一般为 2 伏特电压时巧毫安 )直接抽运，可由统的晶体管电路直接驱动。能
5、有效地将电能转化为光能实际效率大于50% 。能以 2 万兆赫兹以上的频率直接调制抽运电流，进而调制其输出。能在单片上与电子场效应晶体管、微波振荡管、双极性晶体管以及V 族半导体的光学部件形成集成光电子电路。基于半导体的制造技术，适用于大批量生产。在输出光束大小上与典型的硅基光纤相容，能调节输出光束的波长使其工作在这类光纤的低损耗、低色散区域。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 27 页由于 LD 有上述良好的特点，在干涉测量、固体激光器和光存储等技术领域有着广泛的应用，引起人们极大的关注和浓厚的研究兴趣，近年来半导体激光器得
6、到了迅速发展。随着半导体激光器功率的增大，激光器自身的温度变化对激光器输出性能的影响就比较明显了(如在 LD 作为固体激光器泵浦源时产生的波长漂移0.30. 4nm/)，所以工程中对LD 温度进行控制是十分必要的。本温度控制系统的被控对象是中小型功率LD 产生的温度。目前中小型功率的DL 在科研、国防、工业中应用广泛，因此对它的温度控制有很大的现实及经济意义。1.2 LD 温度控制技术研究现状激光二极管工作时，其值电流和功率稳定性对温度敏感。随着温度的提高，需要有更多的载流子注入来维持所需的粒子数反转。典型 LD 在不同的温度下的激光输出功率与正向工作电流关系如下: 1）在同一温度条件下，当正
7、向工作电流小于某一值时，激光输出功率接近于零。而当正向工作电流超过该值时，激光的输出功率随正向工作电流的增长呈直线上升关系，这个值被称为DL 的值。2)值电流随温度的升高而升高，于是整个激光管的特性曲线基本上随温度的变化而平行移动。因此 LD 的性能受自身温度影响较大，国内许多科研单位进行了各种尝试，试图找出各种控温精确稳定，价格适中的方案。国内外在此方面都作了很多研究，在测温元件的选取，控制方法，和加热制冷装置方面做出了不同的尝试，给这方面研究工作提供了宝贵经验。控温精度也逐渐提高(由 1到 0.1改变)。所有这一切推动了LD 的广泛应用，今后随着LD 控温精度的提高，相信LD 将会有更大的
8、发展前景。1.3本课题的基本要求及主要研究内容本课题基本要求:利用单片机对LD 进行温度控制。LD 工作温度设定范围:1040，LD 温度测量精度为0.1，系统控温精度达到0.2，当前温度用 LCD 实时显示出来。本课题主要研究内容 : 被控对象LD 由于注入电流而产生的温度信号经过传感器及其处理电路 (采样保持、放大 )，对 LD 温度值和设定温度值之间的偏差进行调整控制，输出的数字控制量通过单片机来控制半导体制冷器元件，以控制LD 温度。本课题研究的重点是LD 温度在 10一 40范围内，设计原理图使本温度控制系统的控温精度达到0.1以内。精选学习资料 - - - - - - - - -
9、名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 27 页2. 系统的方案设计图 1：硬件结构图图 1 中激光二极管产生的温度信号经过温度传感器铂热电阻(Pt100)变成的电信号，经过放大、滤波等信号处理电路，由信号A/D 转换器送入到微控制器，与单片机系统所设置的温度信号进行比较，使激光二极管温度值在系统所要求的控温精度范围内，稳定在设定的温度点。2.1温控系统软件结构与流程图根据系统设计要求，软件设计采用了结构程序模块化设计。本温控系统软件的总体可分为系统初始化模块及系统数据显示模块二大部分。图2 所示的是系统总流程图。在本模块内LD 温控系统首先设置硬件中芯片的地址，初始化系统MA
10、X187与的数据显示芯片MAX7219 。系统刚开始工作时，设置MAX187输出为10，使本温控系统的执行机构半导体制冷器处于不工作状态。对于数据显示芯片 MAX7219 设置包括 BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8x8 静态 ARM 以及数个工作寄存器，通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219 进入不同的工作状态。在本温度控制系统中，设置 MAX7219 芯片的 CBD 译码寄存器为译码方式。扫描位数寄存器设置3 位，即系统能显示3 位 LED。亮度控制寄存器设置输出电流的9/32。数位寄存器在系统开始时设置2004 一 07，即当 LED 显示
11、此数字时，就表示系统己正常工作了。系统正常工作后，首先测量激光二极管工作的环境温度，即室温，然后把系统最初的温度设定量设置为室温。这样，本温控系统就完成了初始化设置了。Pt100 信号调理AT89C51 半导体制冷硅显示MAX187 开始系统初始化温度采集与转换精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 27 页图 2：系统控制模块流程图2.2 系统数据显示模块系统初始化后，发送数据采集指令，采集温度数据。我们把温度数据保存在微控制器的内存中，然后微控制器发送指令控制P2.0、P2.1、P2.2，按照MAX7219 数字显示时序，把
12、温度数据串行的传送给MAX7219 芯片进行显示。这样，就避免了微控制器直接定时对LED 显示，微控制器有更多的时间来控制被控对象的温度。3 系统硬件设计本部分是系统的硬件电路设计部分，包括温度传感器及其处理电路设计、单片机接口电路设计、半导体制冷器的设计，实现了对激光二极管温度信号的测量、控制及显示。控制量通过单片机的输出通道，控制半导体制冷器，进而实现系统对被控对象激光二极管的温度控制。3.1温度传感器及其处理电路本节是系统的激光二极管温度信号采集部分，激光二极管温度信号是本温控系统的信号源。激光二极管温度的测量及控制精度都与温度信号的提取(采集 )有关，因此准确的温度信号采集是十分重要的
13、。温度是非电量，温度信号需用温度传感器变成电信号后进行采集，激光二极管温度控制系统用的温度传感器是工程中常用的铂热电阻。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 27 页3.1.1温度传感器与铂热电阻温度是一个很重要的物理量，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医学等以及人们地日常生活中，温度检测与控制是十分必要的。在国防现代化及科学技术现代化中，温度的精确检测及控制更是必不可少的。温度是表征物体或系统冷热程度的物理量，温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。由于温度是
14、非电量，因此，对温度的检测与控制需使用传感器或温度敏感元件。温度传感器种类很多，常用的温度传感器有热膨胀式传感器，电阻式传感器，热电偶传感器，集成温度传感器等。针对本温控系统温度测量与控制的精度要求比较高，系统采用了线性度、测量精度与热响应时间都比较好的铂热电阻作为系统的温度传感器。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 27 页图 3：线性化电路图pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100 即表示它在0时阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为138.5 欧姆。它的工业原理：当 PT100
15、在0 摄氏度的时候他的阻值为100 欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。组成的部分 : 常见的 pt1oo 感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成薄膜铂电阻薄膜铂电阻：用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2 微M 以内，用玻璃烧结料把 Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。热电偶热电偶5是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 ,当两端存在温
16、度梯度时 ,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表。 分度表是自由端温度在 0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。工作原理两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成
17、回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1：热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温2度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长精选学习资料 - -
18、- - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 27 页度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体 A 和B 的两个执着点 1 和2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。特点装配简单，更换方便压簧式感温元件，抗震性能好测量范围
19、大 机械强度高，耐压性能好 耐高温可达 2400 度热电偶 - 种类及结构形成（1）热电偶 的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988 年1 月1 日起，热电偶和热电阻全部按IEC 国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。(2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它
20、的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。常用热电偶材料热电偶分度号热电极材料使用温度范围（）正极负极S 铂铑合金（铑含量 10 %） 纯铂0-1400 R 铂铑合金（铑含量 13 %） 纯铂0-1400 B 铂铑合金（铑含量 30%） 铂铑合金（铑含量 6% ） 0-1400 K 镍铬镍硅 -200-+1000 T 纯铜铜镍-200-+300 J 铁铜镍 -200-+600 N 镍铬硅镍硅-200-+1200 E 镍铬铜镍 -200-+700 热电偶的种类 :装配热电
21、偶4，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 27 页铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶,快速热电偶,钨铼热电偶等等。热电偶的基本定律1，均质导体定律由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。2，中间导体定律在热电
22、偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。应用:依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV 值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差。根据这个定律，是没有这个误差的！3，中间温度定律热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn 时的热电势与在温度为 Tn、T0 时的热电势的代数和。 Tn 称中间温度。应用:由于热电偶 E-T 之间通常呈非线性关系,当冷端
23、温度不为 0时，不能利用已知回路实际热电势 E（t,t0)直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势 E（t,t0)直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正4，参考电极定律这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍硅热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍硅的值。热电偶3的安装要求对热电偶与热电阻的安装,应注意有利于测温准确,安全可考及维修方便 ,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求 ,在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以
24、下几点: 1、为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置 ,尽量避免在阀门 ,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻. 2、带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失,为了减少测量误差 ,热电偶和热电阻应该有足够的插入深度 : (1)对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200 毫M ,那热电偶或热电阻插入深度应选择 100 毫M 。(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度 ),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热
25、套式热电偶 .浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm 。热套式热电偶的标准插入深度为100mm 。(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为 4m, 热电偶或热电阻插入深度1 m 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 27 页(4)当测量原件插入深度超过1m 时,应尽可能垂直安装 ,或加装支撑架和保护套管. 故障处理案例热电偶输入产生故障判别法按照仪表接线图进行正确接线通电后，仪表先是显示仪表的热电偶分度号，接着显示仪表量程范围，再测仪表下排的数码管显示设定温度，仪表上排数码管显 示 测 量
26、 温 度 。 若 仪 表 上 排 数 码 管 显 示 不 是 发 热 体 的 温 度 ， 而 显 示“OVER”、“ 0000 ”或“ 000”等状况，说明仪表输入部位产生故障,应作如下实验：A）把热电偶从仪表热电偶输入端拆下，再用任何一根导线把仪表热电偶输入端短路。通电时，仪表上排数码管显示值约为室温时，说明热电偶内部连线开路，应更换同类型热电偶。若还是以上所说的状况，说明仪表在运输过程中，仪表的输入端被损坏，要调换仪表。B）把上述故障仪表的热电偶拆去，换用旁边运行正常的同种分度号仪表上接入的热电偶，通电后，原故障仪表上排数码管显示发热体温度时，说明热电偶内部连线开路，更换同类型热电偶。若还
27、是以上所说的状况，说明仪表在运输过程中，仪表的输入端被损坏，要更换仪表。C）把有故障的热电偶从仪表上拆下来，用万用表放在测量欧姆（R）*1 档，用万用表两表棒去测热电偶两端，若万用表上显示的电阻值很大，说明热电偶内部连接开路，更换同类型热电偶。否则有一定阻值，说明仪表输入端有问题，应更换仪表。2）按照仪表接线图接线正确，若仪表通电后，仪表上排数码管显示有负值等现象，说明接入仪表的热电偶“+”与“”接错而造成的。只要重新调换一下即可。3）接线正确仪表在运行时，仪表上排数码管显示的温度与实际测量的温度相差30º 。C60º 。C。甚至相差更大，说明仪表的分度号与热电偶的分度号搞错。
28、按热电偶分度号 B、S、K、E 等热电偶的温度（ º 。C）与毫伏（ MV）值的对应关系来看，同样温度（ º 。C）的情况下，产生的毫伏值（MV）B 分度号最小， S 分度号次小， K 分度号较大，E 分度号最大，按照此原理来判别。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback) 效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600 均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到 -269（如金铁镍
29、铬），最高可达+2800（如钨 -铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。因此，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。1热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 27 页1-1 所示。当导体 A 和B 的两个执着点 1 和2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。2
30、热电偶的种类及结构形成（1）热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988 年1 月1 日起，热电偶和热电阻全部按IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。(2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
31、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。3热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接
32、错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。4、热电阻材料热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，其中铂热电阻的测量精确度是最高的。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 27 页图 4 为 PT100 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随着温度值变化而变化的原理制成的，实现了将温度变化转化为元件电阻的变化。它主要用于对温度和温度有关参数检测与控制。人们把由金属铂制成的温度传感器成为铂热电阻。铂热电阻具有测温范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点，常
33、被用来作为国际标准温度计。铂电阻的非线性特征按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻Pt100 在 0650范围内，符合ITS 一 90 的国际分度表函数R(t) 可用式表示 : R=R0(l+At+Bt2) （31）式中 R，R0 分别是 t 和 0时的铂电阻阻值，A=3.90802x10-1，B=-5.80195x10-2，其中， 100 就是铂在 0时的电阻值为100 ，即式 (4 一 1)中R0=100。由式 (4 一)l 可以看出，在 0 一 650范围内有非线性误差，特别是温度越高时，非线性越厉害。对本温度控制系统，采用电桥电路来实现测量电路的线性化，如图3。因此本温控系统铂热
34、电阻的温度与电阻值的函数关系可用式表示为： R=R0(l+At) （32）对于本温控系统，式中R0=100。，温度 t 在 10一 40之间取值。3.1.2铂热电阻处理电路由上可知 :温度 t 在 10 一 40之间，铂电阻的阻值R，与温度 t 是线性关系，所以只要给铂热电阻通恒定电流，温度信号就转变成电信号。系统采用给铂电阻精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 27 页供以恒定电流采集其上电压的方法来采集温度信号，在10时，铂热电阻的两端电压为V10=2.5977V ， 在40 时 ， 铂 热 电 阻 的 两 端 电 压
35、为V40=2.8908V ， V=0.2931V。可见由于受流过铂热电阻的电流比较小的限制，温度在10一 40变化时，铂热电阻的两端电压变化很小，为此采用图4 放大铂热电阻输出的电信 号 ， V1 、 V2接 铂 电 阻 两 端 ，V0为 输 出 电 压 ， 放 大 倍 数 为13(4.096/0.2401=13.97) ，4.096V 为 MAX187 内部基准电压。由电路图得：(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 （3
36、5）由于 R3= R4=R6=R5=R7=R8=R9=1K R1=R2=6K 则可以推出仪用放大器闭环增益为A f = 13 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 27 页图 5：信号处理电路图3.2单片机介绍本部分是激光二极管温度控制系统的数字电路，也是控制器硬件的核心部分，主要设计微控制器及其外围接口电路，包括信号的输入、输出通道及系统数字显示电路。如上节所述，被控对象激光二极管的温度信号经过传感器及放大电路后，生成04V 的模拟电压信号。微控制器需要的是数字信号，本节将论述精选学习资料 - - - - - - - -
37、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 27 页信号之间转换、信号的显示及数字控制器的硬件电路部分。微控制器，亦称单片机或单片微型计算机。它是把中央处理器(CUP)、随机存取存储器 (ARM) 、只读存储器 (ORM)、输入 /输出端口 (I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机(单片机 )在这种情况下诞生了。从单片机出现至今，单片机广泛应用在许多领域之中，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表
38、的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 CI 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。单片机的种类很多，有PIC 系列、 Motorola 系列等， TI 公司的 MSP430 系列单片机的应用目前增长较快。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、 I/O 能力、功耗、功能齐全、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择提供了很大的余地。本系统选用 AT89C51作为 CPU。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低功耗、低价格，高性能8 位微处理器。该单片机的可擦除只读存储
39、器可以反复擦除1000 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS 一 51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C51的主要特性如下 : 与 MCS 一 51 兼容。4K 字节可编程闪烁存储器。寿命:1000 写/ 擦循环数据保留时间 :10 年。全静态工作 :OHz一 24Hz 。三级程序存储器锁定。 128*8 位内部 RAM 。32 可编程1/0 线。两个16 位定时器 / 计数器。5 个中断源。可编程串行通道。低功耗的闲置和掉电模式。片内振荡器和时钟
40、电路等。AT89C51管脚如图 6 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 27 页图 6：AT89C51 管脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 27 页3.3 A/D 转换器接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。单片机接口技术是研究单片机与外部芯片之间如何交换信息的技术，外部的各种信息通过输入接口送入单片机，而单片机的各种信息通过输出接口送到外部芯片中，因此单片机需通过信息转换器件实现信息的交流与控制。人们把由模拟量到数字量
41、转换器件称为模拟一数字转换器，简称A/D 转换器或 ADC 。A/D 转换器在数据采集和控制系统中得到了广泛应用。常用的A/D 转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短( 几个微秒一几百个微秒) ，但抗干扰能力差。后者转换时间长(几十个毫秒 几百个毫秒 ) ，抗干扰能力较强。因此在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用双斜积分式A/D 转换器。A/D 转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率及线性误差等。下面介绍本系统所用的MAX187 3.3.1MAX187 特点12 位分辨率。单一 + 5V 工作电压 , 工作电流 1. 5mA , 关断电流 2A。内部采样 / 保持电路 ,75K
42、sps 采样速率。1/2LSB 整体非线形度。内部 4. 096V 基准电压 , 与SPI、QSPI 及Mi2crowire 兼容的 3 线串行接口。3.3.2MAX187 管脚精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 27 页图 7：MAX187 管脚图VDD: 电源端接+ 5V。AIN: 采样模拟信号输入端 ,0 VREF 。SHDN: 三电平关闭输入端。REF :用于模拟转换的基准电压端, 使用外部基准电源时用作输入。GND: 模拟地和数字地。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
43、- - -第 19 页，共 27 页CS:片选信号输入端。SCLK:串行时钟输入端。DOUT: 串行数据输入端 , 数据在 SCLK下降沿输出。3.3.3MAX187 操作时序完整的操作时序如图 7所示。使用内参考时 , 在电源开启后 , 经过20 ms 后参考引脚的 4.7 F电容充电完成 , 可进行正常的转换操作。A/D 转换的工作过程是 : 当CS 为低电平时 , 在下降沿 MAX187 的T/H 电路进入保持状态 , 并开始转换 , 8.5 S后DOUT 输出为高电平作为转换完成标志。这时可在SCLK 端输入一串脉冲将结果从 DOUT 端移出 , 读入单片机中处理。数据读取完成后将CS
44、 置为高电平。要注意的是 : 在CS 置为低电平启动 A /D 转换后 , 检测到 DOUT 有效( 或者延时8.5 S以上) , 才能发 SCLK 移位脉冲读数据 , SCLK至少为 13 个。发完脉冲后应将 CS 置为高电平。图 8：MAX187 操作时序图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 27 页1.4MAX187 精度计算MAX187 的 A/D 位数是 12 ，则1/(213)=1/8192 系统的精度是 0.1 ，系统的温度范围是1040，系统的精度指标还有10 倍的原则，则0.1/40/10=1/4000
45、1/81921/4000 即可证明 MAX187 满足系统精度要求3.3.5 MAX187 的源代码程序MAX187 :SETB CS ；置CS 无效CLR SCLK CLR SCLK ；SCLK 初始化为低 RLC A NOPPUSH ACC NOPMOV A ,B CLR CS ；CS 有效 RLC A ACALL D134NS ；调延时子程序 MOV B ,A ACALL D134NSPOP ACC NOP NOP SETB SCLK DJNZ R7 ,MAX1871 NOP ACALL D134NS CLR SCLK ；转换开始 SETB CS。片选信号无效 , NOP RET MOV
46、 R7 , # 12 D134NS:MOV R7 , # 5；延时MOV A , # 0 ；A 累加器清零 D134NS1 :NOP MOV B , # 0NOP MAX1871 :SETB SCLK ；串行数据输出DJNZ R7 ,D134NS1 MOV C ,DOUTRET 3.4系统显示电路本系统 DL 温度数据显示采用专用数码管显示芯片MAX7219 ，使用方便且精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 27 页硬件连线简单，不占用数据存储空间，不用单片机动态扫描，只需将要显示的数字量串行送至相应的数字存储器即可自动扫描
47、及自动显示，缩短了本温度控制系统的采样周期。 MAX7219 是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LDE显示驱动器。每片可驱动8 位 7 段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需3 根线。 MAX7219 内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MUC 有限的运行时间和程序资源。3.4.1MAX7219 管脚图 9：MAX7219 管脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 27 页DIN：为串行数据输入端；CKL：当 CKL 为上升沿时，数据被载入16b内部
48、移位寄存器。 CLK 为串行时钟输入端，其最大工作频率可达10MHz；LAOD ：为片选端，当LOAD 为低电平时，芯片接收来自DIN 的数据，接收完毕， LOAD 回到高电平时，接收的数据将被锁定；DIOGDIG7 ： 为 吸收 显示 器共 阴 极 电 流 的 位 驱动 线， 其 最 大 值 可 达500mA，关闭状态时，输出；Vcc：电源端；SEGA 一 SEGG、DP：为驱动显示器7 段及小数点的输出电流，一般为40mA 左右，可软件调整；GND：接地；DOUT：为串行数据输出端，通常直接接入下一片MAX7219 的 DIN 端。3.4.2MAX7219 源代码程序ORG 0000H L
49、JMP DISP ORG 0030H ；MAX7219 初始化DISP：MOV A ，0BH ；置MAX7219 显示位数寄存器地址MOV B ，02H ；选择 3位显示方式 ( 位0位2) LCALL W MAX7219 ；写入MAX7219 MOV A ，0AH ；置亮度寄存器地址MOV B ，08H ；选择占空比LCALL W MAX7219 ；写入MAX7219 MOV A ，09H ；置译码方式寄存器地址MOV B ，0FFH ；选择 BCD 译码方式LCALL W MAX7219 ；写入 MAX7219 MOV A ，0CH ；置关闭显示寄存器地址MOV B ，01H ；选择进入正
50、常工作方式LCALL W MAX7219 ；写入 MAX7219 ；显示数据W MAX7219 ：CLR P2.2；指向AT89C51 显示缓冲区首地址MOV R1 ，00H ；指向第 0 位LED MOV R2 ，03H ；置显示器个数LOOP ：MOV A ，R0 ；取显示缓冲区数据MOV B ，A ；数据送入 B MOV A ，R1 ；LED 显示的位地址送 A LCALL W MAX7219 ；写入 MAX7219 INC R0；指向下一个显示数据INC R1；指向下一位 LED 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共