【文章內(nèi)容簡介】 象的溫度在所要求的控溫精度范圍內(nèi)變化。圖中偏差量經(jīng)控制器調(diào)整后，輸出控制量控制被控對象的溫度，被控對象的溫度再由傳感元件負反饋到偏差量中，進而實時調(diào)整控制被控對象的溫度由于加入負反饋，大大提高了系統(tǒng)的控溫精度與控溫范圍。由于本課題被控對象LD的溫度控制范圍大，控溫精度高，課題采用了閉環(huán)負反饋溫控系統(tǒng)，控制方法上采取智能控制的方法，下面介紹本課題的溫控方案設(shè)計。 常用的LD溫度控制方法傳統(tǒng)的溫度控制電路是由模擬PID控制單元組成，控制范圍小，控制精度低，可調(diào)節(jié)性不大，隨著數(shù)字計算機的出現(xiàn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，廣泛的采用了數(shù)字控制器。在同一反饋控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制的精度（尤為在穩(wěn)態(tài)的準確度）高于連續(xù)反饋控制。應(yīng)為數(shù)字控制的精度遠遠高于模擬控制的抗干擾性。所以目前在要求控制精度搞得場合下，大量使用數(shù)字控制系統(tǒng)，但數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比連續(xù)控制系統(tǒng)復雜，基于上述原因現(xiàn)在常用的溫度控制系統(tǒng)都采用了傳統(tǒng)的PID控制與微控制器相結(jié)合的數(shù)字PID控制器作為系統(tǒng)控制器，建立一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，LD產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)過溫度傳感器傳器鉑熱電阻（Pt100）變成放大的電信號，經(jīng)過放大器、濾波器等信號處理電路，變成穩(wěn)定的電流信號，送入A/D中進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，輸出的數(shù)字量送到微控制器中，經(jīng)微控制器的處理，輸出數(shù)字信號，輸出的信號進入D/A轉(zhuǎn)換進入系統(tǒng)的執(zhí)行單元，系統(tǒng)的執(zhí)行單元廣泛采用了半導體制冷硅（TEC）。半導體制冷硅（TEC）是利用玻耳貼效應(yīng)制成的，玻耳貼效應(yīng)是將電流以不同的方向通過雙金屬片所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)時，能對其相接觸的物體制冷或者加熱，當半導體制冷器的制冷端和制熱端的溫差一定時，半導體制冷器的制冷端和制熱短的制冷量與工作電流成正比。制冷器的驅(qū)動方式有幾種，其中有一種是用繼電器驅(qū)動制冷器，但繼電器體積大，很占空間；還有一種辦法是場效應(yīng)管來驅(qū)動，相對于電磁繼電器來說，場效應(yīng)管很小，大多經(jīng)常采用此種方法。 采樣系統(tǒng)的分析設(shè)計溫度測量己是很成熟的技術(shù)，溫度敏感元件既有傳統(tǒng)的熱電偶、熱敏電阻等溫度傳感器，又有現(xiàn)代的集成溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器，還有超高溫的光學溫度傳感器，其中，熱敏電阻和熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)過程自動化最常用的兩種溫度傳感器，但熱敏電阻由于在側(cè)量的靈敏度、線性度等諸多方面均優(yōu)于熱電偶，因此，在中低溫側(cè)量中得到了更廣泛的應(yīng)用。由于本文設(shè)計的TEC制冷器，利用輸出電流大小隨著采樣溫度的變化而變化的規(guī)律，達到溫度控制的目的，所以，熱敏電阻采樣值的精確度直接影響控制系統(tǒng)的性能，因此，本文針對采樣系統(tǒng)的設(shè)計進行改進。使用熱敏電阻測溫時，常采用橋式側(cè)量電路、熱敏電阻線性化等處理微小信號的方法，其缺點是使用傳統(tǒng)的不平衡電橋作為電阻溫度變送器(如銅熱敏電阻、鉑熱敏電阻等)，在側(cè)量電路中存在著橋嘴電阻和電橋輸出電振之間的作線性問題。除此之外，還存在自熱升溫、引線電阻、零點遷移等因素。在對些成果進行比較的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的熱敏電阻測量電路，克服了非平衡電橋橋鑄電阻變化與輸出電壓的非線性關(guān)系。這種電路也經(jīng)常作為單片機的一種前向通道接口使用，進而構(gòu)成智能化測試控制儀表，這種新型的熱敏電阻測量電路，具有通用性強、測量精度高、電路簡單等特點。在溫度測量和控制中起著極其重要的作用 電橋電路如圖所示，在橋臂電阻R2產(chǎn)生的△R的變化時，電橋輸出電壓變化為：（）（）（）若，綜合上式可得：（）當時，%；在時，非線性誤差為6%。這當然不能適應(yīng)高精度測T的要求。顯然，上式的分母項是產(chǎn)生非線性的根本原因，即當發(fā)生變化時，該側(cè)橋儲上的電流也相應(yīng)的發(fā)生變化。那么，如果保證該側(cè)電流恒定，電壓與電阻的關(guān)系就是線性的?；谶@種思路，本文利用恒流源設(shè)計了熱敏電阻測量電路。 LD溫度控制系統(tǒng)的方案設(shè)計 .1 LD溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。由于本系統(tǒng)控溫精度要求比較高，控溫范圍大，傳統(tǒng)的模擬PID控制己難以達到要求。隨著數(shù)字計算機的出現(xiàn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用了數(shù)字控制器。這是由于同樣的反饋控制系統(tǒng)，數(shù)字控制的精度(尤其是控制的穩(wěn)態(tài)準確度)高于連續(xù)控制。因為數(shù)字形式的控制信號遠比模擬控制信號的抗干擾能力強，所以目前在要求控制精度高的場合下，大量使用數(shù)字控制系統(tǒng)，但數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比連續(xù)控制系統(tǒng)復雜?；谏鲜鲈?，我們采取微控制器和傳統(tǒng)的自動控制相結(jié)合的自動控制器作為系統(tǒng)控制器，建立如所示的閉環(huán)負反饋控溫系統(tǒng)。圖中LD產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)過溫度傳感器鉑熱電阻(Pt100)變成的電信號，經(jīng)過放大、濾波等信號處理電路，直接送入到微控制器，與溫度設(shè)置裝置所設(shè)置的溫度信號進行比較。經(jīng)過數(shù)字控制器處理調(diào)整，輸出的數(shù)字控制量直接進入系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，進而對被控對象LD進行加熱或制冷，使LD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。 利用單片機為控制核心，以半導體溫度傳感器為測溫部件，以TEC為制冷/制熱部件構(gòu)成的系統(tǒng)，來對半導體激光器泵浦的固體激光器進行溫度控制具有以下優(yōu)點：(l) 所采用的ADUC831單片機有體積小，價格低，性能好等優(yōu)點，半導體傳感器有精度高，價格便宜，體積小的優(yōu)點，半導體制冷器有體積小，制冷效率高，易于控制的優(yōu)點，以上等因素減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)造價，提高了測量精度和控制精度。(2) 整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，控制參數(shù)計算都是由微處理器控制完成的，因此系統(tǒng)控制工作操作方便，迅速，控制結(jié)果也更加精確。(3) 由于現(xiàn)有的微處理器不但具有計算能力，而且能方便的擴展外部顯示接口，可以實時的監(jiān)測系統(tǒng)溫度，并且可對受控單元的溫度進行實時修改，這使得我們對系統(tǒng)的工作狀況有了更加準確、及時的了解，使受控單元能工作在最佳狀態(tài)?；谝陨蟽?yōu)點，在進行半導體溫度控制系統(tǒng)設(shè)計時采用了這種方法，本篇論文分溫度采集、硬件選擇、電路設(shè)計三個重點進行討論，給出了硬件電路和軟件的設(shè)計思想，并給出了實際電路圖和源程序。本章講述了常用的溫度控制方法及本課題溫度控制的原理，對不同系統(tǒng)進行了分析最終得出本課題溫度控制的方案。文中簡明扼要的分析了各種控制方案的利弊，總結(jié)了這些利弊，設(shè)計了本次課題的方案，為為下面的硬件選擇環(huán)節(jié)指明了方向。第四章 硬件電路的設(shè)計本部分是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計部分，包括模擬信號采集系統(tǒng)的設(shè)計、信號預處理系統(tǒng)的設(shè)計、顯示部分的設(shè)計、半導體制冷硅與驅(qū)動電路的設(shè)計，用來實現(xiàn)對LD溫度的測量、控制及顯示。比較而來的控制量經(jīng)驅(qū)動電路和控制電路來驅(qū)動TEC的工作。 溫度采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成溫度是一個很重要的物理量，自然界中任何物理、化學過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在國民經(jīng)濟各部門，如電力、化工、機械、冶金、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等以及人們地日常生活中，溫度檢測與控制是十分必要的。在國防現(xiàn)代化及科學技術(shù)現(xiàn)代化中，溫度的精確檢測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，溫度單位是國際單位制中七個基本單位之一。由于溫度是非電量，因此，對溫度的檢測與控制需使用傳感器或溫度敏感元件。 溫度傳感器的選擇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。針對本溫控系統(tǒng)溫度測量與控制的精度要求比較高，系統(tǒng)采用了線性度、測量精度與熱響應(yīng)時間都比較好的鉑熱電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實現(xiàn)了將溫度變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。它主要用于對溫度和溫度有關(guān)參數(shù)檢測與控制。人們把由金屬鉑制成的溫度傳感器成為鉑熱電阻。PT100鉑電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃。它的工業(yè)原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。 PT100的溫度曲線鉑熱電阻具有測溫范圍大、穩(wěn)定性好、示值復現(xiàn)性高和耐氧化等特點，常被用來作為國際標準溫度計。鉑電阻的非線性特征按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術(shù)標準，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內(nèi)，符合ITS90的國際分度表函數(shù)R(t)可用式：（）式中， 分別是t℃和0℃時鉑熱電阻的阻值， A=℃，B=℃。本系統(tǒng)采用的是工業(yè)上常用的分度號為的Pt100，其中，100就是鉑在0℃時的電阻阻值為100Ω，即上式中=，在0℃~650℃范圍內(nèi)有非線性誤差，特別是在溫度越高時，非線性越厲害。對本溫度控制系統(tǒng)，由于測量與控制范圍在20~ 30℃，%℃，遠遠低于系統(tǒng)的要求測量精度。因此本溫度系統(tǒng)溫控系統(tǒng)鉑熱電阻的測量溫度與電阻值的函數(shù)關(guān)系可用下式：（）對于本溫度系統(tǒng)，式中的=100Ω，溫度t 在20~ 30℃之間取值，A=℃。 溫度傳感系統(tǒng)的電源本節(jié)主要解決傳感器的電源問題。，而設(shè)計中要用的電壓為3V，所以要設(shè)定電路以保證輸出為3V。AD780是ANALOG Device公司生產(chǎn)的低功率，低負載電壓輸出的電壓源。參數(shù)：輸出電壓： 精度：177。1mV 溫度系數(shù)：3 ppm/℃休眠模式：1mA最低噪聲：100nV/ AD780的管腳 產(chǎn)品特點：（1） AD780提供從4 V到36 V輸入，3V或者 V輸出的可控制電壓。（2） 激光裝配，保證了最初的精度和溫度系數(shù)，防止外在器件對其性能影響。AD780在40到+。（3） 若應(yīng)用在高精度場合，可選擇小幅度變化的情況。（4） 噪聲低，可減少系統(tǒng)外部除噪電容。（5） 當提供穩(wěn)定的產(chǎn)品參考電壓時，溫度輸出端口能使AD780作為溫度變換裝置。，滿足使用的要求。 圖 AD780外部電路接法顯示單元我們用一個整體接線來實現(xiàn)，這個接線由20引腳組成，直接與單片機相連，不需要其他的驅(qū)動元件，其中顯示元件用LCD12864液晶顯示屏。由于選擇的單片機是集成了高精密度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，所以顯示單元與單片機之間不需要再接什么轉(zhuǎn)換器件，我們可以直接將單片機與顯示單元相接?！CD12864點陣液晶顯示模塊（LCM）就是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列。每個顯示點對應(yīng)一位二進制數(shù)，1表示亮，0表示滅。存儲這些點陣信息的RAM稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。要顯示某個圖形或漢字就是將相應(yīng)的點陣信息寫入到相應(yīng)的存儲單元中。圖形或漢字的點陣信息由自己設(shè)計，問題的關(guān)鍵就是顯示點在液晶屏上的位置（行和列）與其在存儲器中的地址之間的關(guān)系。由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅(qū)動電路是由一片行驅(qū)動器和兩片列驅(qū)動器構(gòu)成，所以12864液晶屏實際上是由左右兩塊獨立的64*64液晶屏拼接而成，每半屏有一個512*8 bits顯示數(shù)據(jù)RAM。左右半屏驅(qū)動電路及存儲器分別由片選信號CS1和CS2選擇。顯示點在64*64液晶屏上的位置由行號（line,0~63）與列號（column,0~63）確定。512*8 bits RAM中某個存儲單元的地址由頁地址（Xpage,0~7）和列地址（Yaddress,0~63）確定。每個存儲單元存儲8個液晶點的顯示信息。為了使液晶點位置信息與存儲地址的對應(yīng)關(guān)系更直觀關(guān)，將64*64液晶屏從上至下8等分為8個顯示塊，每塊包括8行*64列個點陣。每列中的8行點陣信息構(gòu)成一個8bits二進制數(shù)，存儲在一個存儲單元中。（注意：二進制的高低有效位順序與行號對應(yīng)關(guān)系因不同商家而不同）存放一個顯示塊的RAM區(qū)稱為存儲頁。即64*64液晶屏的點陣信息存儲在8個存儲頁中，每頁64個字節(jié)，每個字節(jié)存儲一列(8行)點陣信息。因此存儲單元地址包括頁地址（Xpage,0~7）和列地址（Yaddress,0~63）。例如點亮128*64的屏中（20，30）位置上的液晶點，因列地址30小于64，該點在左半屏第29列，所以CS1有效；行地址20除以8取整得2，取余得4，該點在RAM中頁地址為2，在字節(jié)中的序號為4；所以將二進制數(shù)據(jù)00010000（也可能是00001000，高低順序取決于制造商）寫入Xpage=2，Yaddress=29的存儲單元中即點亮（20，30）上的液晶點。12864是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12864全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示84個(1616點陣)漢字。 LCD12864轉(zhuǎn)接口 LCD12864的引腳功能管腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0電源地2VDD+電源電壓3V0液晶顯示器驅(qū)動電壓4D/I(RS)H/LD/I=“H”，表示DB7∽DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I=“L”，表示DB7∽DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”，E=“H”數(shù)據(jù)被讀到DB7∽DB0R/W=“L”，E=“H→L”數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/LR/W=“L”，E信號下降沿鎖存DB7∽DB0R/W=“H”，E=“H”DDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7∽DB07DB0H/L數(shù)據(jù)線8DB1H/L數(shù)據(jù)線9DB2H/L數(shù)據(jù)線10DB3H/L數(shù)據(jù)線11DB4H/L數(shù)據(jù)線12DB5H/L數(shù)據(jù)線13DB6H/L數(shù)據(jù)線14DB7H/L數(shù)據(jù)線15CS1H/L