毕业论文--半导体激光器温控系统的硬件设计.docx

毕业设计(论文)题目：半导体激光器温控系统的硬件设计系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B100104 2014年 5月7日毕业设计（论文）任务书1.毕业设计（论文）题目： 半导体激光器温控系统的硬件设计 2.题目背景和意义：信息技术正在深刻的影响着国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器由于转换效率高、体积小、重量轻、易于调制和具有很强的集成能力等优点，使其在光谱、相干通信、激光雷达、医疗等领域得到广泛的应用。但是，半导体激光器本身存在着问题，在半导体激光器中微小的电流和温度变化将导致半导体激光器输出功率的波动。因而，半导体激光器的稳恒控制的意义非常重要。稳恒控制主要包括恒电流控制、恒温控制以及恒功率控制。恒温控制是稳恒控制中很重要的一个环节。例如，在密集波分复用（DWDM）系统中，激光束的波长会随着温度变化而变化。所以，只有保持一个精确稳定的激光器温度，才能无串扰地分辨出每一个波长的激光信号。虽然半导体激光器是高效率的电子、光子转换器件，但是由于存在各种非辐射、自由载流子吸收等损耗机制，其外微分量子效率只能达到 2030。相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高。许多激光二极管参数，包括波长、阈值电流、输出功率和寿命等，都与温度相关。所以，工作温度对于激光二极管十分重要，必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度。在激光二极管泵浦固体激光器中，为实现对激光晶体的谱线耦合，必须调整激光二极管的输出波长使其与激光晶体的吸收峰值相匹配。激光二极管的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。由于有源层材料的禁带宽度随着温度升高而变窄，使波长向长波方向移动，移动量与器件的结构和有源区材料有关，约为 0.20.3nm/；在电流恒定的情况下，温度每升高 1，激光波长将增加大约 0.20.3nm。因此需要将温度控制在激光器适合的温度下，且使温度起伏小于 0.1，这样才能使激光器输出稳定的波长。因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长有严格要求的一些应用。3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：半导体激光器的工作温度范围：1040；最佳工作温度：25；控制精度为：0.3；系统建立时间：360秒左右；超调量：10%；时间：360秒左右；超调量：10%；目标：设计一个以单片机为核心部件，以半导体制冷器为控温元件，以温度传感器为测温元件的温度控制系统,结合数字PID控制技术,对半导体激光器进行温度控制。4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：（1）毕业设计的态度端正、认真，目的明确； （2）按照西安工业大学本科毕业设计（论文）撰写规范撰写论文； （3）论文的字数要求15000字以上； （4）参考文献15 篇以上 （5）按照任务书的要求，进度要求完成相应的工作； （6）按照老师所指定的时间向老师汇报所做的工作情况。 （7）不懂的问题应及时咨询老师 设计的进度安排： 第一周：明确毕业设计题目的任务、要求、及目的， 第二周第三周：查阅相关文献，总体方案设计； 第四周第五周：完成电路图的设计； 第六周第七周：用Petrel画出电路图； 第七周第八周： 完成电路板的焊接； 第九周第十一周：完成PD算法的设计； 第十二周第十四周：完成单片机的C语言编程； 第十五周第十六周：完成电路的最终调试，实现10-40范围可调，精度达到0.2，超调量不大于10%； 第十七周第十八周，写出论文准备答辩 5.毕业设计（论文）的工作量要求 : 实验（时数）或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）： 其他要求： 指导教师签名： 年 月 日 学 生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明： 1）本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2）带*项可根据学科特点选填。3)字体：五号，宋体。半导体激光器温控系统的硬件设计摘 要半导体激光器（LD）由于转换效率高、体积小、重量轻、易于调制和具有很强的集成能力等优点，使其在光谱、相干通信、激光雷达、医疗等领域得到广泛的应用。但是半导体激光器，温度变化将导致半导体激光器输出功率的波动。许多激光器参数，包括波长、阈值电流、输出功率和寿命等，都与温度相关。所以，工作温度对于激光器十分重要，必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度。本课设计题通过以单片机为核心部件，以半导体制冷器为控温元件，以温度传感器（ds18b20）为测温元件的温度控制系统,结合数字PID控制技术,对半导体激光器进行温度控制。通过设计半导体激光器的工作温度范围控制在1040；最佳工作温度为25；控制精度为0.3；系统建立时间360秒左右；超调量：小于10%。最终有效的控制半导体激光器的温度。关键词：半导体激光器；单片机；温度传感器（ds18b20）IVThe hardware design of the semiconductor laser temperature control systemAbstractSemiconductor laser (LD) due to the high conversion efficiency, small size, lightweight, ease of modulation and a strong integration capabilities, etc., so that in the spectrum, coherent communications, laser radar, medical and other fields has been widely used. Of semiconductor lasers, fluctuations in temperature will cause the output power of the semiconductor laser. Many laser parameters, including wavelength, the threshold current, power output and lifetime are related to temperature. Therefore, the operating temperature is very important for the laser, but you must provide a constant temperature can be precisely adjusted to the laser diode. This lesson design problem through to microcontroller core components to semiconductor refrigeration components for the temperature to the temperature sensor (ds18b20) for the temperature element temperature control system, combined with digital PID control technology for semiconductor lasers for temperature control. Through the design of semiconductor lasers operating temperature range control at 10 40 ; optimum operating temperature is 25 ; controlling accuracy of 0.3 ; system build time of 360 seconds or so; overshoot: less than 10%. Effective control of the final temperature of the semiconductor laser.Key words: Semiconductor lasers; Microcontroller; Temperature Sensor目 录1 绪论11.1半导体激光器温控系统的研究背景11.2半导体激光器温控系统研究的现状11.3研究半导体激光器恒温系统的目的及意义21.4本文主要研究工作内容32 总体设计方案42.1课题研究方案42.1.1方案一42.1.2方案二52.1.3方案三52.2单片机的发展概况62.3 AT89C51系列单片机介绍72.3.1 AT89C51系列基本组成及特性72.3.2 AT89C51系列引脚功能82.4数字温度计DS18S20102.5数码显示管LED113 硬件电路设计133.1温度采集部分133.1.1 ds18b20的测温原理133.2温度处理部分143.3温度显示电路143.4报警电路153.5系统整体电路图164 系统软件设计174.1主程序设计174.2 DS18B20初始化174.3 DS18B20与单片机AT89C51的接口电路194.4数码管与AT89C51的连接电路194.5仿真结果195 系统调试及结论分析225.1硬件调试225.1.1硬件电路常见故障及解决方案225.1.2硬件调试225.2软件调试235.2.1软件电路故障及解决方法235.2.2软件调试245.3结论分析246 总结25参考文献26致 谢27毕业设计（论文）知识产权声明28毕业设计（论文）独创性声明29附录A 主要程序30附录B 焊接电路板实物331 绪 论1 绪论1.1半导体激光器温控系统的研究背景半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。面向21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量化,以及武器装备高精度、小型化, 半导体激光器（LD）借助于一系列先进技术高速发展。半导体激光二极管具有体积小、转换效率高、易调制和具有很强的集成能力等优点，目前，半导体激光器(LD)广泛应用于科研、国防、工业、通讯等领域。但是，在半导体激光器中微小的电流和温度变化将导致半导体激光器输出功率的波动。因而，半导体激光器的稳恒控制的意义非常重要。稳恒控制主要包括恒电流控制、恒温控制以及恒功率控制。恒温控制是稳恒控制中很重要的一个环节。工作温度对于激光二极管十分重要，参数包括波长、阈值电流、输出功率和寿命等，都与温度相关。因此必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度。在激光二极管泵浦固体激光器中，为实现对激光晶体的谱线耦合，必须调整激光二极管的输出波长使其与激光晶体的吸收峰值相匹配。激光二极管的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。由于有源层材料的禁带宽度随着温度升高而变窄，使波长向长波方向移动，移动量与器件的结构和有源区材料有关，约为 0.20.3nm/；在电流恒定的情况下，温度每升高 1，激光波长将增加大约 0.20.3nm。因此需要将温度控制在激光器适合的温度下，且使温度起伏小于 0.1，这样才能使激光器输出稳定的波长。为了保证半导体激光器有良好的工作性能，因此，半导体激光器温控系统的设计成为研究的必须问题被提出来。1.2半导体激光器温控系统研究的现状上世纪90年代，Internet开始普及，光纤通信领域开始突发发展，在国外，许多IT公司，如阿尔卡特电子Liner等，都研制新型的光调整器、激光光源、光电探测器。在国内，华为、中兴等通讯制造商也着力于研究光纤通信器件。随着网络的迅猛发展，市场对通信器件的需求将越来越大。半导体激光器作为电子系统的核心器件，具有很大的发展、研究及市场潜力。对于半导体激3西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）光器的温控系统，国内外许多科研机构都在进行研究开发。当前在制造激光器温度控制产品的国外公司中，处于领先水平的主要有:IXLight，WAV ELEIVGTH，McShane，THORLABS和 LinearTechnology等一些公司。Light公司生产的恒温控制器主要型一号有LD5525系列、LD3700系列;WAVELENGTH公司的恒i温控制器产品的主要型号有MPT系列、PID系列、HTC系列和 FPT系列;McShane公司的恒温控制器的主要型号有5C7系列;THflRLABS公司的恒温控制器产品主要型号有TEC200系列;Liner以及Analflg Devices等公司都推出了专用的热电制冷控制器芯片，例如 Liner公司的LTC 1923，Analog Deices公司的ADN8830, TI公司的DRVS 93等。1国内专门生产用于保持激光器恒温的控制器比较少，产品基本为时间比例一调节、固定参数PID调-整等。中国科学院安徽光学精密机械研究所利用数字式温度传感器DSP8B20制造了大功率半导体激光器恒温致冷系统，控温精度达到0.1 ;中国工程程物理研究院流体物理研究所江孝国等人采用PID控制技术，研制的半导体激光器用温度控系统，在18至25温度范围内，温控的稳定度高于0.1；天津人学精密仪器与光电工程学院周瑜等人采用热敏阻作为测温元件，用半导体致冷器作为温控执行元件，利用高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器和模拟PID，研制出了一种半导体激光器用高精度温度拄制仪，该控制精度可高达0.05。2半导体激光器的温度控制在国内外都有较快的发展，我国的研究水平低于国外。在新世纪里半导体激光器的应用非常广泛，这就要求我们在半导体温度控制领域不断的创新发展。1.3研究半导体激光器恒温系统的目的及意义信息技术正在深刻的影响着国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器（LD）由于转换效率高、体积小、重量轻、易于调制和具有很强的集成能力等优点，使其在光谱、相干通信、激光雷达、医疗等领域得到广泛的应用。但是，半导体激光器本身存在着问题，在半导体激光器中微小的电流和温度变化将导致半导体激光器输出功率的波动。因而，半导体激光器的稳恒控制的意义非常重要。稳恒控制主要包括恒电流控制、恒温控制以及恒功率控制。恒温控制是稳恒控制中很重要的一个环节。例如，在密集波分复用（DWDM）系统中，激光束的波长会随着温度变化而变化。所以，只有保持一个精确稳定的激光器温度，才能无串扰地分辨出每一个波长的激光信号。虽然半导体激光器是高效率的电子、光子转换器件，但是由于存在各种非辐射、自由载流子吸收等损耗机制，其外微分量子效率只能达到 2030。相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高。许多激光二极管参数，包括波长、阈值电流、输出功率和寿命等，都与温度相关。所以，工作温度对于激光二极管十分重要，必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度。本课题设计一个以单片机为核心部件，以半导体制冷器为控温元件，以温度传感器为测温元件的温度控制系统,结合数字PID控制技术,对半导体激光器进行温度控制。半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器，具有较高的电子一光子转换效率，但由于存在非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使相当部分注入的电功率转化为热量。随着温度的升高，激光器的阐值电流将增加、输出功率降低、发射波长红移，造成模式的不稳定、增加内部缺陷、严重影响器件的寿命，给应用带来很大的局限性。如不及时将所产生的热量移去，会造成一种恶性循环，使激光器很快失效。因此，必需为半导体激光器提供一个温度恒定的工作环境。温度对半导体激光二极管的参数如波长、转换效率、寿命等都有很大的影响。对半导体激光器，特别是连续输出和高重复频率的激光器，采取合理的散热措施和温度控制以维持激光器在恒定温度下工作，是保证激光器工作的稳定性和可靠性的重要措施。1.4本文主要研究工作内容本课题所要研究的是基于单片机控制的半导体激光器温控制系统的设计，主要是介绍了对温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。半导体激光器温控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对温度的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。（1）参数指标：半导体激光器的工作温度范围：1040；最佳工作温度：25；控制精度为：0.3；系统建立时间：360秒左右；超调量：小于10%。（2）目标：设计一个以单片机为核心部件，以半导体制冷器为控温元件，以温度传感器为测温元件的温度控制系统,结合数字PID控制技术,对半导体激光器进行温度控制。2 总体设计方案2 总体设计方案通过三种方案的论述，选择最佳的可行的方案。该温控系统的总体设计主要包括：AT89C51单片机、DS18B20温度传感器、数码管显示、及按键设置，本章将会逐一介绍。2.1课题研究方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式： （2-1）2.1.1方案一图2.1 方案一的图图2.1所示的方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态4西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。2.1.2方案二图2.2 方案二的图图2.2所示的方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。32.1.3方案三图2.3方案三的图图2.3所示的方案采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。采用DS18B20温度传感器，集成度高，接线简单方便。单片机系统可以用数码管来显示半导体激光器温度的实时值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。 结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以ds18b20为温度采集元件，以单片机为控制核心，的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。因此，通过对以上三种方案的分析比较，本次毕业设计采用了方案三。2.2单片机的发展概况1970年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单片微型计算机） 美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，这也算是单片机的第一次公众亮相。1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和PD783系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。4纵观这短短的20年，经历了4次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（microcontroller）完善的控制功能为己任。这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用指日可待。下面重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的AT89C51系列单片机。2.3 AT89C51系列单片机介绍2.3.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。52.3.2 AT89C51系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其引脚图如图2.4所示。图2.4AT89C51逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。2I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4中断P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。62.4数字温度计DS18S20在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。ds18b20的引脚图如图2.5所示。图2.5ds18b20引脚图1.（GND）:地2.（DQ）:单线运用的数据输入输出引脚3.（VDD）：可选的电源引脚DS18S20数字温度计的主要特性：1DS18S20的适应电压范围更宽，其范围为：3.0-5.5V，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源)，无需外部工作电源。2DS18S20提供了9位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。3DS18S20通过1-Wire总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线(或地线)。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路内。4DS18S20具有-55C至+125C的工作温度范围，在-10C至+85C温度范围内精度为0.5C。5每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。6DS18S20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时还可以传送给CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。7DS18S20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是不能正常的工作。根据以上这些特性而从中受益的应用包括：HVAC环境控制、室内，设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统。72.5数码显示管LED图2.6数码显示管LED引脚图图2.6所示为数码管的引脚图，LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。 LED数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.52V，额定电流为10MA，最大电流为40MA。静态显示时取10MA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40MA。8该数码管是4位共阳数码管，可同时显示四位数字，单片机的P2.4-P2.7口经三极管放大后接4个位选信号，单片机的P0口经电阻限流后接数码管的各个断码。9单片机AT89C51、温度传感器ds18b20、4位共阳数码管，三个主要部分组成本设计的半导体激光器的温度控制系统。实现对半导体激光器温度的显示与 控制。343 硬件电路设计3 硬件电路设计本设计采用按键作为输入控制，通过ds18b20温度传感器采集温度信息，经过，由51系列单片机AT89C51进行处理并将实际温度值显示在4位共阳极数码显示管LED上。3.1温度采集部分3.1.1 ds18b20的测温原理温度采集部分主要是使用集成度较高的温度传感器ds18b20,他内部的单元结构就可以把采集到的温度信息，进行性模拟转换、模拟放大等工作。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。ds18b20的内部结构图如图3.1所示。10图3.1 DS18B20内部结构西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3.2温度处理部分温度处理单元本设计采用51系列的AT89C51单片机对温度进行处理，把ds18b20温度传感器测得的实时温度与设置的上下限进行对比，当测得的温度超过上限或者下限时系统发出声光报警。温度处理部分的电路图如下图3.2所示。图3.2温度处理电路3.3温度显示电路经过AT89C51单片机对温度采集部分采集到的温度处理后，通过单片机的P2.4-P2.7口，经三极管放大后接4个位选信号，再通过4位共阳数码管显示可以实时的显示测量的实际温度，该显示部分可以把温度精确到小数点后两位，如图3.3所示。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图3.3温度显示电路3.4报警电路报警电路在整个电路系统中起到一个警示的作用，当实际温度低于或者高于，系统所设置的上下限时，报警电路发出声光报警，如图3.4所示。当实际温度在设置的上下限范围内时，整个系统正常运行。图3.4声光报警电路3.5系统整体电路图图3.5系统整体电路图整个温控系统由，温度采集电路、温度处理电路、温度显示电路、报警电路、电源电路组成，如图3.5所示。通过各个部分之间的相互协作，实现对半导体激光器的温度有效的控制与实时检测显示。4 系统软件设计4 系统软件设计4.1主程序设计整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。主程序如图4.1所示。开始AT89C51初始化DS18B20初始化温度是否在设定限度内YN声光报警亮Y温度在显示范围内温度显示N结束图 4.1 主程序流程图4.2 DS18B20初始化西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）DS18B20初始化流程图见图4.2。 开 始C51寄存器初始化18b20存在？ N温度转换命令 Y读取温度温度数据处理温度显示 温度比较超出范？围 N报 警 Y图4.2 DS18B20初始化流程图 4.3 DS18B20与单片机AT89C51的接口电路DS18B20与单片机的接口电路如图4.3所示。图4.3 DS18B20与单片机的接口电路4.4数码管与AT89C51的连接电路数码管与单片机的连接电路如图4.4所示。图4.4 数码管与AT89C51对接4.5仿真结果设置温度上限为30C，温度下限为20C。如图4.5所示。此时温度为20度，在所设范围内，报警灯没亮，说明温度正常。图4.5温度在设置的范围内的仿真图如图4.6所示，此时温度为8度，低于所设置的下限温度10度，系统发出声光报警。图4.6温度低于设置下限是的仿真图如图4.7所示，此时温度为31度，超出了所设置的温度上限，系统红灯亮，并发出声音报警。图4.7温度超出设置上限的仿真图综上，经过对电路图的仿真，证明本设计所设计的硬件电路图及软件程序设计，能够满足设计的要求，能够对半导体激光器的温度实时的测控，当超出所设置的温度上下限时，系统报警。5