激光二极管温度控制系统设计.doc

目录1 绪论21.1 激光二极管的特点及应用21.2 激光二极管温度控制技术研究现状21.3 本课题的基本要求及主要研究内容22 激光二极管温度控制系统的方案设计42.1 温控系统软件结构与流程图.42.2 系统数据显示模块.53 系统硬件设计63.1 温度传感器及其处理电路63.1.1温度传感器与铂热电阻6 3.1.2铂热电阻处理电路73.2 单片机介绍83.3 A/D转换器及其电路.93.3.1 MAX187 特点.93.3.2 MAX187 管脚.103.3.3 MAX187 操作时序.10 3.3.4 MAX187 精度计算.113.3.5 MAX187 的源代码程序.113.4 系统显示电路.12 3.4.1 MAX7219 管脚.123.4.2 MAX7219源代码程序.133.5 半导体制冷硅(TEC)简介.144 收获和体会155 参考文献156附录6.1 电路设计总图1 绪论激光器的发明无疑是科学史上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。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。2.系统的方案设计Pt100信号调理AT89C51半导体制冷硅显示MAX187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MAX187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。 开始系统初始化温度采集与转换系统数据显示半导体制冷器大于等于20.2 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。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。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。热电阻温度传感器是利图3：线性化电路图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 （35）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图4：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;片内振荡器和时钟电路等。AT89C51管脚如图5图5：AT89C51管脚图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 3.3.1 MAX187 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,75Ksps 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。3.3.2 MAX187 管脚图6：MAX187管脚图VDD:电源端接+ 5V;AIN:采样模拟信号输入端,0VREF ;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;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。3.3.3 MAX187 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, 8.5S 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8.5S 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7：MAX187操作时序图1.4 MAX187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=1/40001/81921/4000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 SCLKCLR SCLK ；SCLK初始化为低 RLC ANOP PUSH ACCNOP MOV A ,BCLR CS ；CS 有效 RLC AACALL D134NS ；调延时子程序 MOV B ,AACALL D134NS POP ACCNOP NOPSETB SCLK DJNZ R7 ,MAX1871NOP ACALL D134NSCLR SCLK ；转换开始 SETB CS;片选信号无效,输出结束NOP RETMOV R7 , # 12 D134NS:MOV R7 , # 5；延时子程序MOV A , # 0 ；A 累加器清零 D134NS1 :NOPMOV B , # 0 NOPMAX1871 :SETB SCLK ； 串行数据输出DJNZ R7 ,D134NS1MOV C ,DOUT RET3.4 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。3.4.1 MAX7219 管脚图8：MAX7219管脚图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。3.4.2 MAX7219源代码程序ORG 0000HLJMP DISPORG 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MAX7219MOV A，0AH ；置亮度寄存器地址MOV B，08H ；选择占空比LCALL W MAX7219 ；写入MAX7219MOV A，09H ；置译码方式寄存器地址MOV B，0FFH ；选择BCD 译码方式LCALL WMAX7219 ；写入MAX7219MOV A，0CH ；置关闭显示寄存器地址MOV B，01H ；选择进入正常工作方式LCALL WMAX7219 ；写入MAX7219；显示数据WMAX7219：CLR P2.2 ；指向AT89C51 显示缓冲区首地址MOV R1，00H ；指向第0 位LEDMOV 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BMOV A，R1 ；LED 显示的位地址送ALCALL W MAX7219 ；写入MAX7219INC R0 ；指向下一个显示数据INC R1 ；指向下一位LEDDJNZ R2，LOOP ；未完继续SJMP ；写入MAX7219 子程序WMAX7219：CLR P2.2 ；将LOAD 信号拉低LCALL WONE ；一字节地址写入MAX7219MOV A，BLCALL WONE ；一字节数据写入MAX7219NOPSETB P2.2 ；产生LOAD 上升沿信号，锁存数据WONE：MOV R2，08H ；置串行移位计数值 NEXT：CLR P2.1 ；将CLK 信号拉低RLC A ；A 中的值左移入C 中MOV P2.0，C ；逐位送入DINNOPSETB P2.1 ；产生CLK 上升沿信号，移入数据DJNZ R2，NEXT ；未完继续RET END3.5 半导体制冷硅(TEC)简介半导体致冷器，也称为温差电致冷组件、电子致冷器或热泵，利用拍耳帖(Peltier)效应而实现制冷或加热的半导体元器件。拍耳帖效应是将电流以不同方向通过双金属片所构成的结时，能对其相接触的物体致冷或加热。当半导体致冷器冷热端的温差一定时，半导体致冷器的制冷量与工作电流成正比。如图9所示，当半导体制冷器注入电