激光二極管溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

YanChengInstituteofTechnologyYanChengInstituteofTechnology課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱《智能儀器設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目激光二極管溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名劉玉龍班級(jí)B自動(dòng)化103班學(xué)號(hào)1010603317完成日期2013年12月19日鹽城工學(xué)院電氣學(xué)院目錄1緒論…………………21.1激光二極管的特點(diǎn)及使用…………………21.2激光二極管溫度控制技術(shù)研究現(xiàn)狀………21.3本課題的基本要求及主要研究?jī)?nèi)容………22激光二極管溫度控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)……………32.1溫控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和流程圖………………..42.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示模塊…………..53系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………53.1溫度傳感器及其處理電路…………………6 3.1.1溫度傳感器和鉑熱電阻………………63.1.2鉑熱電阻處理電路……………………133.2單片機(jī)介紹…………………143.3A/D轉(zhuǎn)換器及其電路……………………….15 3.3.1MAX187特點(diǎn)……………………….15 3.3.2MAX187管腳……………………….16 3.3.3MAX187操作時(shí)序………………….173.3.4MAX187精度計(jì)算…………………..183.3.5MAX187的源代碼程序……………..193.4系統(tǒng)顯示電路……………….203.4.1MAX7219管腳…………………..213.4.2MAX7219源代碼程序……………..22半導(dǎo)體制冷硅(TEC)簡(jiǎn)介…………………..234收獲和體會(huì)…………245 參考文獻(xiàn)……………266 附錄6.1電路設(shè)計(jì)總圖1緒論一、背景及意義隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們的生活日趨數(shù)字化，單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型的例子，但人們對(duì)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(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。多功能的數(shù)字溫度計(jì)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(jiǎn)化了數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，降低了成本 激光器的發(fā)明無疑是科學(xué)史上最偉大的發(fā)明之一，1960年5月，美國(guó)休斯頓實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)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(shù)的先河。激光在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、國(guó)防、科學(xué)等方面有著廣泛的使用，這和激光具有高亮度、高單色性、高方向性分不開。由于激光器有這些優(yōu)點(diǎn)，促使人們研制更好的激光器，推動(dòng)了激光器的發(fā)展。關(guān)鍵詞：激光二極管溫度系統(tǒng)半導(dǎo)體制冷器LCD顯示技術(shù)溫度傳感器1.1激光二極管(LD)的特點(diǎn)及使用以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的LD有如下一些特點(diǎn):體積小，容易組裝進(jìn)其它設(shè)備中;低功率、低電流(一般為2伏特電壓時(shí)巧毫安)直接抽運(yùn)，可由統(tǒng)的晶體管電路直接驅(qū)動(dòng);能有效地將電能轉(zhuǎn)化為光能實(shí)際效率大于50%;能以2萬兆赫茲以上的頻率直接調(diào)制抽運(yùn)電流，進(jìn)而調(diào)制其輸出;能在單片上和電子場(chǎng)效應(yīng)晶體管、微波振蕩管、雙極性晶體管以及Ⅲ—V族半導(dǎo)體的光學(xué)部件形成集成光電子電路;基于半導(dǎo)體的制造技術(shù)，適用于大批量生產(chǎn);在輸出光束大小上和典型的硅基光纖相容，能調(diào)節(jié)輸出光束的波長(zhǎng)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(diǎn)，在干涉測(cè)量、固體激光器和光存儲(chǔ)等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的使用，引起人們極大的關(guān)注和濃厚的研究興趣，近年來半導(dǎo)體激光器得到了迅速發(fā)展。隨著半導(dǎo)體激光器功率的增大，激光器自身的溫度變化對(duì)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(shí)產(chǎn)生的波長(zhǎng)漂移0.3—0.4nm/℃)，所以工程中對(duì)LD溫度進(jìn)行控制是十分必要的。本溫度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是中小型功率LD產(chǎn)生的溫度。目前中小型功率的DL在科研、國(guó)防、工業(yè)中使用廣泛，因此對(duì)它的溫度控制有很大的現(xiàn)實(shí)及經(jīng)濟(jì)意義。1.2LD溫度控制技術(shù)研究現(xiàn)狀激光二極管工作時(shí)，其值電流和功率穩(wěn)定性對(duì)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(shù)反轉(zhuǎn)。典型LD在不同的溫度下的激光輸出功率和正向工作電流關(guān)系如下:1）在同一溫度條件下，當(dāng)正向工作電流小于某一值時(shí)，激光輸出功率接近于零;而當(dāng)正向工作電流超過該值時(shí)，激光的輸出功率隨正向工作電流的增長(zhǎng)呈直線上升關(guān)系，這個(gè)值被稱為DL的值。2)值電流隨溫度的升高而升高，于是整個(gè)激光管的特性曲線基本上隨溫度的變化而平行移動(dòng)。因此LD的性能受自身溫度影響較大，國(guó)內(nèi)許多科研單位進(jìn)行了各種嘗試，試圖找出各種控溫精確穩(wěn)定，價(jià)格適中的方案。國(guó)內(nèi)外在此方面都作了很多研究，在測(cè)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(jīng)驗(yàn)?？販鼐纫仓饾u提高(由1℃到0.1℃改變)。所有這一切推動(dòng)了LD的廣泛使用，今后隨著LD控溫精度的提高，相信LD將會(huì)有更大的發(fā)展前景。本課題的基本要求及主要研究?jī)?nèi)容本課題基本要求:利用單片機(jī)對(duì)LD進(jìn)行溫度控制。LD工作溫度設(shè)定范圍:10℃—40℃，LD溫度測(cè)量精度為0.1℃，系統(tǒng)控溫精度達(dá)到0.2℃，當(dāng)前溫度用LCD實(shí)時(shí)顯示出來。本課題主要研究?jī)?nèi)容:被控對(duì)象LD由于注入電流而產(chǎn)生的溫度信號(hào)經(jīng)過傳感器及其處理電路(采樣保持、放大)，對(duì)LD溫度值和設(shè)定溫度值之間的偏差進(jìn)行調(diào)整控制，輸出的數(shù)字控制量通過單片機(jī)來控制半導(dǎo)體制冷器元件，以控制LD溫度。本課題研究的重點(diǎn)是LD溫度在10℃一40℃范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)原理圖使本溫度控制系統(tǒng)的控溫精度達(dá)到0.1℃以內(nèi)。2.系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)PPt100信號(hào)調(diào)理AT89C51半導(dǎo)體制冷硅顯示MAX187圖1：硬件結(jié)構(gòu)圖圖1中激光二極管產(chǎn)生的溫度信號(hào)經(jīng)過溫度傳感器鉑熱電阻(Pt100)變成的電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波等信號(hào)處理電路，由信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器送入到微控制器，和單片機(jī)系統(tǒng)所設(shè)置的溫度信號(hào)進(jìn)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(nèi)，穩(wěn)定在設(shè)定的溫度點(diǎn)。溫控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和流程圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)程序模塊化設(shè)計(jì)。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(shù)據(jù)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(nèi)LD溫控系統(tǒng)首先設(shè)置硬件中芯片的地址，初始化系統(tǒng)MAX187和的數(shù)據(jù)顯示芯片MAX7219。系統(tǒng)剛開始工作時(shí)，設(shè)置MAX187輸出為10℃，使本溫控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體制冷器處于不工作狀態(tài)。對(duì)于數(shù)據(jù)顯示芯片MAX7219設(shè)置包括BCD譯碼器、多位掃描電路、段驅(qū)動(dòng)器、位驅(qū)動(dòng)器和用于存放每個(gè)數(shù)據(jù)位的8x8靜態(tài)ARM以及數(shù)個(gè)工作寄存器，通過指令設(shè)置這些工作寄存器，可以使MAX7219進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。在本溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)置MAX7219芯片的CBD譯碼寄存器為譯碼方式;掃描位數(shù)寄存器設(shè)置3位，即系統(tǒng)能顯示3位LED;亮度控制寄存器設(shè)置輸出電流的9/32;數(shù)位寄存器在系統(tǒng)開始時(shí)設(shè)置2004一07，即當(dāng)LED顯示此數(shù)字時(shí)，就表示系統(tǒng)己正常工作了。系統(tǒng)正常工作后，首先測(cè)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(shè)定量設(shè)置為室溫。這樣，本溫控系統(tǒng)就完成了初始化設(shè)置了。開始開始系統(tǒng)初始化溫度采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示半導(dǎo)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(shù)據(jù)顯示模塊系統(tǒng)初始化后，發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，采集溫度數(shù)據(jù)。我們把溫度數(shù)據(jù)保存在微控制器的內(nèi)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(shù)字顯示時(shí)序，把溫度數(shù)據(jù)串行的傳送給MAX7219芯片進(jìn)行顯示。這樣，就避免了微控制器直接定時(shí)對(duì)LED顯示，微控制器有更多的時(shí)間來控制被控對(duì)象的溫度。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本部分是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)部分，包括溫度傳感器及其處理電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體制冷器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光二極管溫度信號(hào)的測(cè)量、控制及顯示?？刂屏客ㄟ^單片機(jī)的輸出通道，控制半導(dǎo)體制冷器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)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(hào)采集部分，激光二極管溫度信號(hào)是本溫控系統(tǒng)的信號(hào)源。激光二極管溫度的測(cè)量及控制精度都和溫度信號(hào)的提取(采集)有關(guān)，因此準(zhǔn)確的溫度信號(hào)采集是十分重要的。溫度是非電量，溫度信號(hào)需用溫度傳感器變成電信號(hào)后進(jìn)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溫度傳感器和鉑熱電阻溫度是一個(gè)很重要的物理量，自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地和溫度相聯(lián)系。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，如電力、化工、機(jī)械、冶金、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等以及人們地日常生活中，溫度檢測(cè)和控制是十分必要的。在國(guó)防現(xiàn)代化及科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中，溫度的精確檢測(cè)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(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。由于溫度是非電量，因此，對(duì)溫度的檢測(cè)和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(duì)本溫控系統(tǒng)溫度測(cè)量和控制的精度要求比較高，系統(tǒng)采用了線性度、測(cè)量精度和熱響應(yīng)時(shí)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(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會(huì)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(jīng)過復(fù)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(shù)把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2微米以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料把Ni（或Pd）引線固定，經(jīng)激光調(diào)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(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)和溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時(shí)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(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。工作原理兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端和顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀