DZ239大功率激光二极管的精密恒温制冷系统
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DZ239大功率激光二极管的精密恒温制冷系统,毕业设计
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1 摘要 这篇论文主要介绍了一种大功率激光二极管的精密恒温制冷系统，利用半导体制冷器对大功率激光二极管进行制冷和精密温控，构成全固态制冷系统。本系统使用MCU 机作为控制平台，采用自整定 PID 算法，采用 A/D 转换器对环境温度进行采样，数据处理后由 LED 显示，人机界面友好，控制精度高，温度精度可达 0.1，激光二极管输出光功率波动峰峰值小于 1.5。本论文详细分析阐述了元件的选择，电路的设计及相关软件的设计。并给出了各设计模块的程序流程图，实际电路图等。 关键词 ： 模数转换，数模转换，单片机，半导体制冷器， 自整定 PID 算法。 nts 2 Abstract This system uses MPU machine as the control platform, adopting the A/D converter to sample environmental temperature, displaying the data processed through LED. So the man-machine interface is friendly. The error of the temperature controlled which can reach 0.1 is high and the fluctuation of laser diode output is less than 1.5 . This thesis analyses in detail the choice of the components and parts, the design of the circuit and the relevant software by giving the procedure flow charts of each module and actual circuit diagrams. Keywords: A/D, D/A, MCU, TEC, PID. nts 3 目录 前言 5 第一章 恒温 控制 器的 性能指标及方案论证 6 第一节 系统的性能指标 6 第二节 方案论证 6 第三节 控制算法的确定 7 第二章 硬件 系统 的设计与 芯片的选择 11 第一节 硬件系统的设计原则和采用方法 11 第二节 单片机的选择 12 第三节 存储器 的选择 20 第四节 热敏电阻的介绍 23 第五节 A/D 及 D/A 转换器的选用与设计 25 第三章 恒温控制系统的设计 29 第一节 恒温控制系统及其特点 29 第二节 恒温控制系统的设计 29 第三节 半导体制冷器和驱动电路 35 第四节 系统的数学模型 39 第五节 实验方法和结果分析 40 第四章 软件部分设计 43 第一节 软件的分析设计及流程图 43 第二节 程序的具体编制 44 结束语 46 附录 AT89C51 部分程序清单 47 参考书目 50 致谢 51 nts 4 前言 光纤通信技术发展迅速，目前广泛应用于光纤通信系统的光源器件是采用 -族化合物半导体材料 InCaAsP/InP制作的激光二极管。 InCaAsP/InP 材料体系的发光波长 正好满足了石英光纤的需要。但是，由于材料本身的特性的限制，该激光器表西那出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作得很好的器件，温度较高时激光射出会明显减少，甚至不能正常工作。为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其恒温工作。 在激光二极管泵浦固体激光器 (DPL)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，一般通过改变激光二极管的工作温度来微调其输出光的波长，其变化规律大致 为 0.2 0.3nm/。另外，大功率激光二极管正常工作时热耗很大，约占总功耗的 50% 75%，若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。所以工作温度对于激光二极管十分重要，必须给激光二级管提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光二极管泵浦固体激光器具有最大的输出功率和最小的功率波动。 以前对大功率激光二极管往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。本文采用半导体制冷器对大功率激光二极管进行制冷和 温控，并构成全固态制冷系统。控制核心采用 PC 机，人机界面友好，控制精度高，用于实验室的大型激光系统效果很好。若采用单片机作为控制系统的核心部件，即可构成小型激光器的实用化系统。 nts 5 第一章 恒温控制器的性能指标及方案论证 第一节 系统的性能指标 本系统使用 MCU 机作为控制平台，采用自整定 PID 算法，采用 A/D 转换器对环境温度进行采样，数据处理后有 LED 显示，人机界面好，控制精度高。 系统要求的主要技术参数有： 温度控制范围： -15 +80 温度控制精度： 0.1 短期稳定度： 0.02 长期稳定度： 0.05 TEC 双向电流输出： 2.5A 最大恒流输出电压范围： 8V 最大输出功率： 20W 限制电流范围： 0 2500mA 增益可调： 0 50 积分时间： 1S 热敏电阻类型： NTC 第二节 方案的确立 本仪器要求在激光二极管正常工作时，能持续保持恒定的出射波长，而波长又受到温度的影响，因此，在激光二极管正常工作时，要加在此仪器上一个恒温控制器，实现激光二极管的自动恒温控制。本论文所设计的恒温控制器能很好的满足 0.1的精度。现在有两种实现方案： 1. F 变换器 LM331：其功能是把热敏电阻的电压降变换成单片机的输 入频率信号。在理论上，量程为 100KHZ 可以实现温度的反馈作用，但是由于LM331 的频率信号受热敏传感器实时电阻的影响，且外接电阻、电容在工作时其值也会有响应的变化，因此稳定性较差，不能满足 0.1以内的温度稳定性的要求，因此这种方案不可取。 2 利用 A/D 变换：其原理是把热敏传感器上的压降通过 A/D 转 换器转 换成相应的数字信号，由于环境温度值的连续变化性质，使 A/D 的电压输入值不会有太大的跳变。所以只要 A/D 转换器 的参考电压非常稳定，则单片机就能实时监测环境的温度。此种方案比较好。为了达到 0.1以内的精度我们 选用串行 A/D TLC2543. 本文所设计的大功率激光二极管精密恒温制冷系统由温度采集器、 PC 机 (内插 12位 A/D 转换卡 )、大功率程控恒流源、半导体制冷器 (TEC)及强制风冷热沉组成，构成nts 6 闭环控制回路。控制程序采用自整定 PID 算法控制 TEC 的电流，从而控制 TEC 的制冷量，实现大功率激光二极管的恒温制冷控制 。用此激光二极管作为激光晶体的泵浦源时，其峰值波长必须调整为 807.5nm，在额定电流工作下的最佳工作温度为 24.6，由本文所设计的精密恒温制冷系统进行控制，温控精度可达 0.1 。系统框图如图1.1 所 示。现在分别介绍各部分的功能和作用： 半导体激光器的恒温制冷系统组成框图 1.1 第三节 控制算法的确定 1.3.1 控制算法的选择 PID算法的优点 : PID 调节之所以不变 ,而且在数字化的计算机时代仍能得到广泛应用 ,主要有下面优点 . 技术成就 PID 调节是连续系统中技术最成就 ,且应用最广泛的一种控制方法 .它的结构灵活 ,不单可以用常规的 PID 调节 ,而且可以根据系统的要求 ,采用各种 PID 的变种 ,如PI, PD 控制 ,不完全微分控制 ,积分分离式 PID 控制 ,变速积分 PID 控制 ,比例 PID 控制等 .在 PID 控制系统 中 ,系统参数整定方便 ,而且在大多数工业生产过程种效果比较好 . 易被人们熟悉它 ,并在实践中积累了丰富的经验 ,特别是一些工作时间比较长工作技术人员更是如此 . 不需要求出数学模型 . 到目前为止 ,仍有许多工业对象得不到或很难得到精确的数学模型 ,应用直接数字控制方法比较困难 ,甚至根本不可能 ,所以必须应用 PID算法 . 控制效果好 虽然计算机控制是离散的 ,但对于时间常数比较大的系统来说 ,近似于连续变化 ,nts 7 因此 ,用数字 PID 完全可以替代模拟调节器 .所以 ,数字方式模拟 PID 调节器仍为目前应用比较广泛的方法之一 . 电炉控制是一个 反馈调节过程：比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理得到控制信号，在去调节炉子的加热功率，从而实现对炉子的控制，本设计采用的是 PID控制形式， 在模拟控制系统中被测参数由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较，再把比较的差值给 PID运算后送到执行机构，改变输入量，以达到自动调节的目的。在数字控制系统中，则是用数字调节器来代替模拟调节器。其调节过程是首先采集过程参数信号，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机控制算法进行运算处理，运算结果经 D/A转换 成模拟量后由输出通道输出，并通过执行机构去控制输入量，以达到给定值。 PID调节器是按偏差的比例，积分和微分进行控制的调节器，是连续系统中技术成熟应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。凡是需要考虑采用串级调节的场合，工艺上对调节品质的要求总是很高，不允许被调量有残余偏差。所以在本设计系统中，采用 PID调节器。 1.3.2 PID 调节的原理 PID调节器是一种线性调节器，其框图如下图所示。 PID控制器把设定值 W与实际输出值 Y 相减，得到控制偏差 e，偏差 e 经比例调节 器 P，积分调节器 I，微分调节器 D作用后通过线性组合构成控制 U，然后用 U对对象进行控制。 PID控制器 1.3.3 PID 控制算法的数字实现 采用单片机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图 4 2 所示， 8031单片机系统通过 A/D 电路检测过程变量 Y，并计算误差 e 和控制变量 U，通过 D/A 变换后输出到执行机构，使过程变量 Y稳定在设定的值上。计算机控制根据采样时刻误差值计算控制变量 U，在采样时刻 t=i T（ T为采样周期， i为正整数）， PID调节规律可以通过数值公式近似计算。 Ui=Kp(ei+TiT ijej0+TTd(ei-ei-1)+U0，式 (3-1)，由于 PID 计算机控制是一种nts 8 采样控制，因此模拟 PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被检过程与连续过程十分接近。上式称为位置式算法。 当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如驱动步进电机）时，由式（ 3 1 ） 可 写 出 增 量 式 PID 算 法 ， 这 时 只 要 将 式Ui=Kp(ei+TiT ijej0+TTd(ei-ei-1)+U0 ，式 (3-2) ，及Ue-1=Kpei+TiT 10ijej +TTd (ei-1-ei-2)+U0,式 (3-3)相减就可以导出下面的公式： Ui=Ui-Ui-1=Kpei-ei-1+TiTei+TTd(ei-2ei-1+ei-2) 式（ 3 4）称为增量式PID 控制算法，式（ 3 1）称为位置式算法。式（ 3 4）也可以进一步写为：Ui-d0ei+diei-1+d2ei-2（ 式 3-5） d0=Kp(1+TiT+TTd),d1=-Kp(1+TTd2),d2=KpTTd；可是增量式 PID 算法只需保持现时以前的三个时刻的误差（ ei,ei-1,3i-2）即可，增量式 PID算法与位置式 PID相比，有下列优点： 1.位置 式 PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值 ej 容易产生较大的累积计算误差。而增量式 PID 只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的影响较小。 2.控制 从手动切换到自动时，位置式 PID 算法必须首先将计算机的输出值置为原始阀门开度 U0，才能保证无冲击切换，如果采用增量式算法，则由于公式中不出现U0次，易于实现手动到自动的无冲击切换。 在本单片机应用系统 中，执行机构需要的是控制度量的绝对值而不是其增量，但可用增量式计算。输出则采用位置式的输出形式，变换式（ 3 4）得： Ui=Ui-1+ Ui=Ui-1+Kp ei+I ei+D 2ei (3-6) 把 ei=ei-ei-1， 2ei= ei- ei-1代入上式，得： Ui=Ui-1+Kp (ei-ei-1)+I ei+D(ei-2+ei-1+ei-2) 式中， ei=W-yi,W 为设定值， Yi 为第 i 次实际输出值， Kp 为比例系数，积分系数 I=TiT，微分系 数 D=TTd， T为采样周期。 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节方法，是技术成熟应用最为广泛的一nts 9 种调节方法。它计算简单，参数易于调整，在长期的应用中已积累了丰富的经验。在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，往往不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID调节器，并根据经验进行在线整定。由于单片机软件系统的灵活性， PID算法可以得到修正而更加完善。数字 PID的基本公式： 其中： T：采样周期； K:比例系数； Ti:积分时间； Td微分时间 ;ei： i时刻的误差值 (i=n,n-1,n-2) 凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的相应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的影响，从而确定 PID 的调节参数。 A. 增大比例系数 K将加快响应，有利于减小静差，但大的比例系数会使系统有较大的超调并产生震荡使稳定性变坏。 B. 增大积分时间 Ti有利于减小超调，减小震荡使系统更加稳定。但静差消除随之减慢。 C. 增大微分时间 Td亦有利于加快系统响应，减小超调量，稳定性增加，但对扰动有敏感响应。 在凑试时刻参考以上参数对控制过程的影响趋势对 参数实行下述先比例，后积 分，再微分的整定步骤。 nts 10 第二章 硬件系统的设计与芯片的选择 第一节 硬件系统的设计原则和采用方法 一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分的内容：一是系统的扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM、 RAM、 I/O口，定时计数器能不能满足要求，不能满足要求的时，必须在片外扩展。选择 适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置。即按系统功能要求配置外用设备，如键盘，显示器 D/A转换器等，要求设计合适的借口电路。 针对本设计系统，选用 AT89C51 单片机 ,它有 128*8 位内部 RAM，所以需要扩展一 EPROM容量 8K，即 2732一片 8K内存的 RAM，和低八位地址锁存器，外用设备根据控制需要配置了显示器， A/D转换器 TLC2543 和 D/A转换器 AD7521。 在单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际的需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。 系统扩展应遵循以下原则： 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规方法，为硬件系统的标准化，模块化打下基础。 系统扩展与外围设备水平应当 入侵满足应用系统 的功能要 求 ,并留有适量余地 ,以便进行再次开发 . 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑 ,硬件结构与软件方案会相互影响 .考虑的原则是 :软件能实现的功能尽可能采用软件来执行 ,以简化硬件结构 ,但必须注意 ,由软件实现的硬件功能 ,其响应时间比直接用硬件实现来的长 ,而且占 CPU 时间 ,因此选择方案要考虑这些因素 . 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配 .例如 :选用晶振频率较高时 ,存储器的存储时间有限 ,应该选用允许存取速度高的芯片 ,选择 CPU芯片单片机构成低功耗系统时 ,系统中的所有芯片都应该选用低功耗的产品 . 可靠性及干扰设计是硬件 系统设计不可缺少的一部分 ,它包括芯片 ,器件选择光偶滤波 ,印刷电路板布线 ,通道隔离等 . 单片机外接电路较多时 ,必须考虑其 驱动能力 ,驱动能力不足时 ,必须考虑系统的工件不可靠 ,解决的方法是增加驱动能力 ,增加驱动器或减少芯片功耗 ,降低总线负载 . 硬件设计就是根据总体的系统结构框图，设计每一个功能模块。在本设计中，我们把硬件电路分成若干功能模块，先设计单元电路，最后将进行系统合成，把各单元nts 11 电路组合起来，构成完整的硬件系统。 第二节 微处理器 的选择 2.2.1单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具 有数据处理能力 (如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理 )的微处理器 (CPU)，随机存取数据存储器 (RAM)，只读程序存储器 (ROM)，输入输出电路 (I/O 口 )，可能还包括定时计数器，串行通信口 (SCI)，显示驱动电路 (LCD或 LED驱动电路 )，脉宽调制电路 (PWM)，模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小但很完善 的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的 智能化控制功能，这是单片机最大的特征。 然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑 (PC机 )有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。 不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内 部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件 (包含可支持开发应用程序的软件资源 )及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。 单片机控制系统能够取代以 前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。 2.2.2如何选择单片机 由于单片机需要控制编码输入，显示电路，串行 A/D，并行 D/A 和外界存储器的nts 12 输入输出，需要的引线较多，而且，程序较大， 因此考虑选用 ATMEL公司生产的 89C51单片机 (该机的详细资料见软件部分 )。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8位微处理器。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-51 指令集和输出管脚相兼容。它有 128*8 位内部 RAM， 32根可编程 I/O引线，两个 16位定时器 /计数器， 5个中断源，而且是 40管脚塑料双列直插 DIP 封装。 总之 ,AT89C51 的选用不仅减少成本，而且还减少所占的体积便于仪器的小型化，更重要的是它的低功耗，这对于温控 器是非常重要的。 2.2.3.AT89C51 简介 At89c51是美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 4k bytes 的反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数 ： 与 MCS-51产品指令系统完全兼容 4k 字节可重擦写 Flash闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作： 0Hz-24MHz 三级加密程序储存器 128*8 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O口线 2 个 16位定时 /计数器 6 个中断源 可编程串行 UART通道 低功耗空闲和掉电模式 片内震荡器和时钟电路 引脚功能说明 ： nts 13 Vcc：电源电压 。 GND：接地 。 P0口 ： P0口是一组 8位漏极开路型双向 I/O口，也即地址 /数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8个 TTL逻辑门电路，对端 口写“ 1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1口 ： P1是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O口， P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑没电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ I）。 P2口 ： P2是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O口， P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ I）。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI指令）时， P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（ SFR）区中 R2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 Flash 变成或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。 P3口 ： P3口是 一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口。 P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑门电路。对 P3口写入“ 1”时，它们nts 14 被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。做输入端时，被外部拉低的 P3口将用上拉电阻输出电流（ I）。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二个功能，如下表所示： P3口还接收一些用于 Flash闪速存储器变成和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当震荡器工作时， RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器 时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8位字节。即使不访问外部存储器， ALE仍以时钟震荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR） 区中的 8EH单元的 D0位置位，可禁止 ALE操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN信号不出现。 EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA端为高电平（接 Vcc端）， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器 编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 nts 15 XTAL1：遮挡器反向放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：震荡器反向放大器的输出端。 时钟震荡器 ： AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐震荡器一起构成自激震荡器，震荡电路参见 下 图。 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、 C2 接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接 电容 C1、 C2 虽然有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30Pf 10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF10。 用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图 5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端， XTAL2则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持 续时间应符合产品技术条件的要求。 空闲节电模式： AT89C51 有良种可用软件变成的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器 PCON（即电源控制寄存器）中的 PD（ PCON.1）和 IDL（ PCON.0）位来实现的。 PD 是掉电模式，当 PD=1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。 IDL 是空闲等待方式，当 IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即 PD 和 IDL 同时为 1，则先激活掉电模式。 在空闲工作模式状态， CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍 保持激活状态，nts 16 这种方式由软件产生。此时，片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。 终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（ PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随 RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。 其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时， CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（ 24 个始终周期）有效，在这种情况下，内部禁止 CPU 访问片内 RAM，而允许访问其他端口。为了避免可能对端口产生以外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 掉电模式： 在掉电模式下，震荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内 RAM 和特殊功能积存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能积存 器但不改变 RAM 中的内容，在 Vcc 恢复到正常工作电平前。抚慰应无效，且必须保持一定时间以使震荡器重启动并稳定工作。 程序存储器的加密： AT89C51 可使用对芯片上的 3 个加密位 LB1、 LB2、 LB3 进行编程（ P）或不编程（ U）来得到如下表所示的功能： nts 17 当加密位 LB1 被编程时，在复位期间， EA 端的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随即数，且这个随即数会一直保存到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被锁存的 EA 电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外，加密位只 能通过整片擦除的方法清除。 Flash 闪速存储器的编程： AT89C51 单片机内部有 4k 字节的 Flash PEROM，这个 Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为 FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（ +12V）或低电压（ Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM 编程器兼容。 AT89C51 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压变成方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，见下表。 AT89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的 PEROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。 编程方法： 编程前，须按表 6 和图 6 所示设置好地址、数据及控制信号，编程单元的地址加在 P1 口和 P2 口的 P2.0 P2.3（ 11 位地址范围为 0000H 0FFFH），数据从 P0 口输入，引脚 P2.6、 P2.7 和 P3.6、 P3.7 的电平设置见秒 6， PSEN 为低电平， RET 保持高电平， EA/Vpp 引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电压， ALE/PROG 引脚输入编程脉冲（负脉冲）。编程时，可采用 4 20MHz 的时钟震荡器， AT89C51 编程方法如下： 1. 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 2. 在数据线上加上要写入的数据字节。 3. 激活相应的控制信号。 4. 在高电压编程方式时，将 EA/Vpp 端加上 +12V 编程电压。 5. 每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。 nts 18 改变编程单元的地址和写入的数据，重复 1-5 步骤，知道全部文件变成结束。 每个字节写入周期是自身定时的，通常约为 1.5ms。 数据查询： AT89C51 单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（ P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。 nts 19 第三节 存储器 的选择 为了反映实际温度，根据热敏电阻传感器的 R-T曲线可以求出环境的实际温度。有两种实现的方法：公式法和查表法。由于 T-R曲线不是一个正规的函数曲线，即我们不能给出准确的计算公式，因此公式法 不可取。厂家给我们提供了 R-T的一组对应数据，为我们应用查表法提供了方便，对于 两给定点之间的数据可以近似用线性差值的方法求出。鉴于本实验数据太多可以连接一个外部存储器 24C02。这样既节省了内部空间又可以方便数据的修正。 24C02是可擦除可存储 256字节数据的 EEPROM外部存储器。利用 I2C总线的虚拟技术可以实现 EEPROM 与单片机的串行数据传送。对于本实验 I2C 总线系统工作在单主方式下，单片机为主节点， 24C02为从节点。不存在总线竞争。 24C02 可以解决单片机片内 EEPROM 不足的问题，用以保存诸 如用户设置参数、采集到的数据等。 由于部分单片机不具备 I2C总线接口，在应用时必须用软件法加以解决。 在软件编制时应当严格遵循 I2C总线规则，并注意 24C02的片内读写周期时间，调整好程序流程，以避免写不进、读不出的问题 2.3.1 硬件电路 （如下图所示）。 使用微处理的任意两个通用 I/O端口（图中用 CE0、 CE1、 CE2）作为与 24C02的连接，其中一个作为时钟 SCL线，另外一个作为数据 SAD线。 2.3.2 软件设计 首先简要介绍一下用 EEPROM的 I2C总线的规则。 初始状态时， SCL、 SDA两线 都为高。 当 SCL为高电平时，如果 SDA线跌落，认为是“起始位”。 nts 20 当 SCL为高电平时，如果 SDA线上升，认为是“停止位”。 除此之外，在发送数据的过程中当 SCL 为高电平时， SDA应保持稳定。 ACK应答位指在此时钟周期内由从器件（ EEPROM）把 SDA拉低，表示回应。这时主器 件（ PLC16微处理器）的 SDA口的属性应该变为输入以便检测。 在写数据周期应该依次执行以下过程： /发“起始位”。 2/发“写入代码”（ 8bit）， 1010（ A1A2A3） 0，其中的 A1、 A2、A3三位是片地址，由 24C02的硬 件决定，文中采用 000。 3/收“ ACK”应答（ 1bit）。4/发 EEPROM片内地址（即要写入 EEPROM的什么位置）（ 8bit）。从 00 到 FF中的任意一个，对应 EEPROM中的相应位。 5/收“ ACK”应答（ 1bit）。 6/发要发送的数据（ 8bit），即要存储到 EEPROM 中的数据。 7/发“停止位”。 接下来，如图所示，进入轮询程序以便检验 24C02片内写周期是否完成。如果已经完成则进入下一个字节的写操作过程。如果没有完成则继续等待，直到完成。 在读数据周期，依次执行以下过程： /发“起始位”。 2/发 “写入代码”（ 8bit）， 1010（ A1A2A3） 0，其中 A1、 A2、A3三位是片地址，由 24C02的硬件决定， 文中采用 000。 3/收“ ACK”应答（ 1bit）。4/发 EEPROM片内地址（即要读出 EEPROM的位置）（ 8bit）。从 00到 FF中的任意一个，对应 EEPROM 中的相应位。 5/收“ ACK”应答（ 1bit）。 6/发“起始位”（ 81bit）。 7/发“读出代码”（ 8bit）， 1010（ A1A2A3） 1，其中 A1、 A2、 A3三位是片地址，由 24C02的硬件接线决定，文中采用 000。 8/接收。 9/发 ACK应答。 10/发“停止位”。 要特别注意的两个问题是： 1/24C02有一个约 10的片内写周期。在这个周期内， 24C02是不对外界的操作作出反应的。 2/在发送数据的过程中，要确保当 SCL为高电平时， SDA保持稳定。 解决第一个问题的常见方法有两个，其一为采用延时等待，确保在写过程中，在一个字节完成发送了停止位之后，微处理器等待足够的时间，通常应该超过 10，再送下一个字节，这段时间用来等待 EEPROM 完成片内写周期。另一个是采用轮询的方式，判断 EEPROM 是否完成了片内写周期。这种方式的主导思想是，当向 EEPROM发送写标志后，正常情况下， EEPROM应该有 ACK应答。但是当 EEPROM 在进行片内写周期的时候，则不会产生这样的应答。程序据此判断， EEPROM 是否完成了片内的写周期程序。如果完成，则可以继续写入下一个要写的内容，否则继续等待。 第一种方法编程较为简单，但是会浪费大量的机器时间，并且程序的延时时间不好确定。第二种方法的优点在于，虽然编程较为复杂，但是较为快速，对其余的程序模块影响较少，便于完成程序的模块化设计。 对于在发送数据的过程中，要确保当 SCK 为高电平时， SDA必须保持稳定，应该在程序中 利用软件给予保证。 如果可以很好的解决以上两个问题，数据的写入和读出是方便快捷和可靠的。 nts 21 主方式 下的 I2C 总线虚拟，应按照 I2C 总线数据传送时序，主方式下的操作格式设计出主方式下的时序模拟子程序，主发送 /主接收子程序，并将这些子程序归纳成虚拟 I2C 总线的软件包。在软件包的基础上给出归一化的 I2C 总线操作命令。只需将软件包装入程序存储器中，利用归一化操作指令即可实现相应的 I2C 总线应用程序。其 N字节的数据操作格式如下： (1) 写 N个字节的操作格式： (2) 读 N个字节的操作格式： 其中 ： 主节点发送，从节点接收。 主节点发送，从节点发送。 SLAW 寻址字节 (写 ) DATA1-DATAn 读 /写的 n个字节数据 SLAR 寻址字节 (读 ) A应答信号 非应答信号 nts 22 第四节 热敏电阻的介绍 热敏电阻可分为负温度系数 (NTC)与正温度系数 (PTC)热敏电阻。热敏电阻其阻值随温度变化而变化，该特性使得热敏电阻在电流和温度相关的运用场合非常理想。由于正温度系数的热敏电阻单调特性范围比较窄，工作稳定性较差；而负温度系数热敏电阻的单调范围比较宽，工作稳定性较好，所以一般我们选用负温度系数的热敏电阻。现只对此种热 敏传感器作一下介绍。 NTC元件的电阻值随温度的升高而降低。对应用于某些物体表面的温度检测或某些环境温度的检测时为了适应检测环境和便于安装，通常将热敏电阻元件根据具体场合做成各种各样的封装形式，这时通常称它们为热敏传感器。使用热敏元件的原因首先关心的就是热敏元件的三性，即：一致性，可靠性，重复性。热敏元件的温度检测范围和检测精度也是被关心的主要特征。事实上，精度越高的热敏元件制造成本相对也高，所以根据实际使用的场合选用恰当的检测精度的热敏元件具有现实的经济意义。 热敏电阻主要用于航天机械，军用坦克，空调，热 水器，电暖气，粮仓测温，工业仪表，医疗仪器，火灾报警，汽车水箱等方面。 NTC热敏电阻的物理特性用下列参数表示： 电阻值 B值，热时间常数，电阻温度系数。 电阻值： R 电阻值的近似值表示为： 其中： R1:绝对温度为 T1K时的电阻 R2:绝对温度为 T2K时的电阻 热时间常数： sec. 热敏电阻在零能量条件下，由于步阶效应使热敏电阻本身的温度发生改变，当温度在初始值和最终值之间发生改变 63.2%所需的时间就是热时间系数。 电阻温度系数： %/ a 是表示热敏电阻器温度每变 化 1，其电阻值变化程度的系数 即变化率 ，用表示。 本实验选择常州精达公司生产的 3978NTC热敏电阻，其 R-T曲线如下图所示： nts 23 NTC热敏电阻 R-T 特性曲线 由 R-T 曲线可以看出此款负温度系数热敏电阻的变化范围是 -20 -100，足以满足本实验的要求。 nts 24 第 五 节 A/D及 D/A转换器的选用与设计 2.5.1 A/D的选用 模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。 A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。 A/D转换器的选择是至 关重要的。所选择的 A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提 供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。 目前的高速 A/D 转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。对用户而言，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。 在选择高速 A/D 转换器时，必须考虑下面几个因素： 终端系统的要求 成本 分辨率或精度 速度 性能 对终端系统要求的清晰了解将简化 A/D 转换器的选择过程。在某些场合，它可以把所需考虑的选择参数限制为屈指可数的几个。例 如，很多超声波应用采用的是每个通道需要一个 A/D的数字光束成形系统。对于一个具有多达 256个通道的系统而言，具有多通道和低功耗的 A/D转换器是一个合适的选择。 对于 8 进制 A/D 转换器来说，超声波应用是主要的终端应用。位于 A/D 之后的DSP或 ASIC所使用的电源电压也是必需加以考虑的。越来越多的高速 A/D将采用 3V、2.5V和 1.8V的工作电源。价格是始终需要考虑的因素。如今的转换器设计师正在制作性价比更为优越的 A/D。 TLC2543是 TI公司的 12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D转换过 程。由于是串行输入结构，能够节省 51 系列单片机 I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 下图 是 TLC2543 的接口电路。 TLC2543 的 CLOCK， DATA OUT， DATAINPUT和 /CS 分别与 AT89C51 的 P3.0， P3.1，和 P3.3 连接。其接口软件由主程序和两个子程序组成，主程序主要是对 AT89C51 的初始化，子程序是对 89C51 和 TLC2543 的具体操作。 nts 25 (1) 外部引脚 TLC2543有三个控制输入端：片选 (/CS),输入 /输出时钟 (I/O CLOCK)以
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