【導(dǎo)讀】MCS－51單片機原理與應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，2020. 趙嚴，高春清，李家澤，魏光輝。用于激光穩(wěn)頻的精密溫控系統(tǒng)設(shè)計，完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。導(dǎo)體激光器或固體激光器的恒溫控制非常重要。題具有比較重要的意義。段曉東同學(xué)在參考了國內(nèi)外文獻基礎(chǔ)上介紹了。管）為主的器件設(shè)計方法。控制TEC的方案中，將測得的溫度和預(yù)設(shè)溫。該同學(xué)該能完成任務(wù)書規(guī)定的要求，按要求按。若能進一步提高控制系統(tǒng)精度，設(shè)計的TEC溫度控制輸出系統(tǒng)具有。很大的實用價值。論文答辯過程中能較好地闡述論文的主要內(nèi)容，較準。確地回答與論文有關(guān)的問題。段曉東同學(xué)論文達到了本科畢業(yè)論文水

　　

【正文】 度 ； C 是量化電壓值 ， 范圍為 0～ 65535） 。 這樣我們就可以 得到整個前向通道的程序 ， 整個程序的大概流程如下 :AT89C52 初始化液晶顯示模塊 （ intlcd()函數(shù) ） ， 顯示要達到的溫度 值 （ target（ ） 函數(shù) ） ； 初始化 AD7711（ intAD （ ） 和 writeAD（ ） 函數(shù) ） ， 讀入量化的電壓值 ， 根據(jù)電壓值與溫度之間的關(guān)系得到 測得的溫度，將該溫度顯示在液晶顯示模塊上 （ print（）函 數(shù) ） 。 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 AD7711 讀 寫時序圖 [7] 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 第四 章 后向通道的設(shè)計 前面所述的只是測溫部分，要想達到溫度控 制 的目的，還必須對半導(dǎo)體激光器 進行加熱或制冷，這就是后向通道所要做的。 數(shù)模模塊 的設(shè)計 由單片機計算得到得差值，經(jīng)過處理后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，從而控制 TEC 的驅(qū) 動電路，達到控溫的目的。本系統(tǒng)選用的 DA 芯片是 TI 公司的 TLC5620。 TLC5620 簡介 TLC5620是一款具有高阻抗基準輸入的 4 路串行 8位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片， 它采用單一 +5 V 電源供電，是一種低功耗芯片。 TLC5620 兼容 CMOS 電平，只需要 通過 4 根串行總線就可以完成 8位數(shù)據(jù)的串行輸入 ， 易于和工業(yè)標準的微處理器或微 控制 器 （單片機 ） 接口 。 適用于可編程電壓源 、 數(shù)字控制放 大器 /衰減器 、 信號合成、 移動通信、自動測試裝置以及工程監(jiān)視和控制等工業(yè)控制場合 [11]。本系統(tǒng)使用的 TLC5620的具體型號是塑料 DIP（ P） 封裝 TLC5620CN， 它的工作溫度范圍為 0～ 70 ℃。 TLC5620可分別輸入 4個參考電壓，從而有 4種不同的模擬電壓輸出。 TLC5620是 通過使用 4個電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)來 4路數(shù)模轉(zhuǎn)換 ， 每路 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換 ） 的核心是 256 個獨 立電阻 ， 對應(yīng)串行輸入的 256個可能碼值 0～ 255。 每個電阻網(wǎng)絡(luò)的一端連接到地 GND， 另一端從基準電壓輸入緩沖器的輸出端反饋回來 [11]。 TLC5620 共有 14 個針腳，具體針腳定義如表所示： 針腳 號 針腳符 號 針腳功能簡介。 1 GND 輸入工作電壓地端。 2～ 5 REFA～ REFD 4個參考電壓輸入端，其限定了模擬輸出電壓的最大值。 6 DATA 串口界面的數(shù)字數(shù)據(jù)輸入端。進行轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號是串行輸入到 寄存器的，且每一位數(shù)據(jù)是在時鐘信號的下降沿被讀入的。 7 CLK 串行時鐘信號輸入端。用于控制串行數(shù)據(jù)的輸入。 8 LOAD 串行界面數(shù)據(jù)裝載控制端。當(dāng) LDAC是低電平的時候，在 LOAD信號 的下降沿，將輸入的數(shù)字 數(shù)據(jù)鎖入輸出門，并立即產(chǎn)生模擬電壓 輸出。 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 9～ 12 DACD～ DACA 4個模擬電壓輸出端。 13 LDAC 裝載 DAC控制端。當(dāng) LDAC是高電平時，有數(shù)字信號寫入的時候 DAC 輸出不會被更新。只有 LDAC信號由高電平下降為低電平時才會更 新模擬輸出。 14 VDD 輸入工作電壓正端。 表 TLC5620 針 腳功能 表 [12] TLC5620 的電路連接 由 TLC5620的針腳功能定義可得其與單片機的連接方式，將 DATA、 CLK、 LOAD、 LDAC分別與 AT89C52的 、 、 、 ， 對于本系統(tǒng)只需要一路模擬電 壓輸出 ， 我們使用的是 DACA口 ， 因此將 REFA與 AD7711的 REF OUT相連 ， 即參考電壓設(shè) 為 。而工作電壓使用的是 5V。具體電路連接詳見附錄 I。 TLC5620 軟件的設(shè)計 TLC5620每次寫入的數(shù)據(jù)為 11位 ， 其中前兩位為 DAC選擇位 A A0， 具體情況如下： 00， DACA； 01， DACB； 10， DACC； 11， DACD。由于系統(tǒng)使用的是 DACA口，因此每次 寫入的數(shù)據(jù)的前兩位都為 00。第三位是電 壓輸出增益位， 0代表不變， 1代表兩倍， 由于參考電壓是 ， 取這一位為 1就可以得到最高 5V的輸出電壓 。 對于本系統(tǒng) ， 選 擇的增益倍數(shù)為 2， 因此每次寫入的數(shù)據(jù)第三位都是 1。 后面 8位是數(shù)據(jù)位 ， 其中第四 位是數(shù)據(jù)的最高位。對于 TLC5620的輸出電壓公式是： VO＝ VREF CODE/256（ 1+RNG） VREF是參考電壓 ， CODE是待轉(zhuǎn)換的 8位二進制代碼 ， RNG是增益倍數(shù) ， 對于本系統(tǒng) 而言其公式可簡化為： VO＝ 5 CODE/256 寫入數(shù)據(jù)時 ， 首先 LOAD和 LDAC寫高電平 ， 這樣在 CLK的每個下降沿寫 入的每位數(shù) 據(jù)被鎖存到 DATA端，當(dāng) 11位數(shù)據(jù)傳送完畢后，拉低 LDAC，芯片根據(jù)前兩位數(shù)據(jù)，判 斷是哪一路 DAC通道 ， 然后將 8位數(shù)據(jù)移入相應(yīng)的通道 ， 進行 DA轉(zhuǎn)換 ， 這時拉低 LOAD， 再拉高 LOAD，就可以再下次轉(zhuǎn)化之前，保持此次的模擬輸出。而串行時鐘信號通過 軟件模擬獲得，即 CLK交替 0轉(zhuǎn)換，并通過 for短循環(huán)語句，進行短延時，這樣就 可以得到時鐘信號。 對于 8位串行數(shù)據(jù)的寫入 ， 采用的方式是 ， 將要寫入的數(shù)據(jù)的類型定義成無符號 整型數(shù)據(jù) ， 寫入是采用 for循環(huán) ， 每次循環(huán)先讓 8位串行數(shù)據(jù)和 16進制數(shù) 0x08按 位與， 即判斷最高位是否是 1， 如果是 1， 就往 DATA寫入 1， 否則寫 0， 然后 8位串行數(shù)據(jù)左移， 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 即低位往高位移 ， 這樣每次都可以把要寫入的位數(shù)都移到最高位 ， 從而循環(huán) 8次就可 以將數(shù)據(jù)寫入串行接口寄存器。 TEC 模塊的設(shè)計 TEC 即半導(dǎo)體致冷器，也叫做熱電制冷器，是一組能起小型熱泵作用的半導(dǎo)體 電子元件 [13]。由于其體積小，無機械轉(zhuǎn)動部件和噪聲， 能 加熱和制冷，并且不需要 使用制冷劑以及使用壽命長的優(yōu)點，在實驗 技 術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、航大航空、船舶等的 溫度控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，對于本系統(tǒng)而 言 TEC 是很合適的制冷、加熱 器件。 TEC 工作原理 當(dāng) 給一個 TEC 加上低壓直流電時，制冷器的一面會吸收熱量，逐漸變冷；同時 另一面會放出熱量，逐漸變熱。熱量從器件 的 一面?zhèn)飨蛄肆硪幻?。熱電制冷器的? 作原理與機械式式制冷裝置（壓縮機制冷） 的 原理十分相似，在熱電制冷系統(tǒng)中， 摻雜半導(dǎo)體材料替代了制冷劑的作用，冷凝 器 被散熱器取代，壓縮機被直流電源取 代。加在熱電制冷器上的直流電使電流通過 半 導(dǎo)體材料，在半導(dǎo)體材料的冷端，電 子的運動吸收熱量，并穿過半導(dǎo)體材料，在 熱 端放出熱量。由于半導(dǎo)體 材料的熱端 與散熱器相連，熱量就從半導(dǎo)體材料傳給散熱器，然后排放到空氣中 [13]。 熱電制冷利用的使塞貝克、珀爾帖和湯姆遜 效 應(yīng)來制冷的。把兩種不同的導(dǎo)體 組成一個閉合的回路，若在兩接頭處存在溫 差 ，則回路中將產(chǎn)生電動勢及電流。這 就是塞貝克效應(yīng)。而珀爾帖效應(yīng)就是：當(dāng)電 流 通過兩種不同的導(dǎo)體組成的回路時， 在兩接頭處分別出現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象。這種 現(xiàn) 象稱為玻爾帖效應(yīng)，是塞貝克效應(yīng)的 逆效應(yīng)。當(dāng)電流通過有一定梯度的導(dǎo)體時， 在 橫向會有熱流流入或流出導(dǎo)體，其方 向由電流方向和溫度梯度方向而定。這種熱 電 現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)，湯 姆遜效應(yīng)在 實際熱電設(shè)備運行時發(fā)揮較小的作用。 對于實際的熱電制冷器，是由上百個由一個 P 型半導(dǎo)體和一個 N 型半導(dǎo)體用銅 連接焊接成的電偶對組成的。其中一個電偶對的示意圖如圖 所示。當(dāng)接通直流 電源時 ， 電子由負極出發(fā) ， 首先經(jīng)過 P 型半導(dǎo)體 ， 在此吸收熱量 ， 到了 N 型半導(dǎo)體， 又將熱量放出，每經(jīng)過一個 NP 模組，就有熱量由一邊被送到另一邊，即在 3 端 的銅聯(lián)結(jié)片上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象 ， 此端稱為冷端 ； 在 4 端的銅聯(lián)結(jié)片上則產(chǎn)生放熱現(xiàn) 象，此端稱為熱端 [14]。 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 吸熱 冷端 3 2 4 1 熱端 熱端 放熱 圖 TEC 單 個電耦示意圖 本系統(tǒng)選用的熱電制冷器的型號是 TEC1－ 12706，其具體參數(shù)為最大溫差電流： 6A； 最大溫差電壓 ： ； 最大制冷功率 ： ； 最大溫差 ： 67℃ 。 它和鉑電阻， 半導(dǎo)體激光器的連接方式如圖 所示： 激光器 鉑電阻 冷端 TEC 熱端 散熱片 圖 TEC、鉑電阻、半導(dǎo)體激光器連接示意圖 TEC 驅(qū)動電路 由于 TEC 的工作電流比較大，因此 TLC5620 的輸出 電流不足以驅(qū)動 TEC 正常 工作，需要接放大電路，本系統(tǒng)采用的是達林頓管 TIP142。達林頓管又稱復(fù)合管。 它是將二只三極管適當(dāng)?shù)倪B接在一起，以組 成 一只放大倍數(shù)是二者之積的等效三極 管 。 由于 TIP142 的發(fā)熱量非常大 ， 因此必須接散熱片 。 在電路設(shè)計中 ， 達林頓管常 用于功率放大器和穩(wěn)壓電路中。 TIP142 的原理圖如圖 所示： 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 TIP142 原理 圖 [16] 驅(qū)動電路中將 TEC 連接在 TIP142 的 E 極和地之間 ， TIP142 的 C 極電流最大 可達到 10A， 因此完 全可以驅(qū)動 TEC， 具體連接電路如圖 所示 。 TLC5620 的 模擬輸出電壓作為 B 極的偏置電壓，從而通過改變模擬輸出電壓控制 E 極電流， 這樣我們就可以利用目標穩(wěn)定和所測溫度之間的差值，控制 TLC5620 模擬輸出 量的大小，進一步控制通過 TEC 的電流，從而控制 TEC 兩端的溫差，也就達到 了控制激光器穩(wěn)定的目的 。 C 極連接的電阻是水泥電阻 ， 由于 C 極的電流比較大， 因此選用大功率、小電阻、易于散熱的水泥電阻是比較合適的。 圖 TEC 驅(qū)動電路 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 控 制 TEC 軟件設(shè)計以及整體軟件 TEC 控制軟件設(shè)計 根據(jù)上述原理 ， 我們制作了將半導(dǎo)體激光晶體溫度控制在 25℃的溫度控制系統(tǒng)， 為此單片機將 AD7711 測得的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為溫度以后，與 25℃相減，根據(jù)相減值， 當(dāng)大于 5℃時控制 TLC5620 輸出 5V， 當(dāng)大于 3℃時輸控制 TLC5620 輸出 4V， 大于 ℃時，輸出 3V,當(dāng)小于 ℃時，控制 TLC5620 輸出 2V,進而達到控制溫度的目的。 按照此方法 ， 成功的將溫度控制在了 25℃ （上下浮動 ℃左右 ） ， 說明此 種方法是 完全可行的。 整體軟件流程圖 到此整個系統(tǒng)已設(shè)計完畢，整個軟件的流程圖如圖 所示。 圖 軟件整體 流 程圖 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 總結(jié) 由于時間和條件的限制，我們所制作的系統(tǒng)只是論證了此種方法的可行性，要 想達到更精確的控制精度，還有很多工作要做，主要包括以下這兩個方面： 第一 ： 溫度測量部分 ， 由于本系統(tǒng)只是理論計算出了溫度與鉑電阻之間的關(guān)系， 沒有進行精確的定標，因此測量溫度精度有 比 較大的誤差。要想進一步提高精度， 還 必須修正其非線性度。這既可以通過軟件 的 辦法獲得，也可以使用更加精密的電 路。同時也必須增加電源的穩(wěn)定性，這既包括電橋的工作電壓也包括 AD 和 DA 芯 片的參考電壓，這都對穩(wěn)定測量精度和溫度控制精度有很大的影響。 第二 ： TEC 控制部分 ， 我們所制作的系統(tǒng) ， 對 TEC 的控制方法非常簡單 ， 用這 種方法，其溫度控制精度是非常低的。要達 到 更高的溫度控制精度必須采用更加精 確的控制方法，例如 PID 控制理論， PID 即比例、積分、微分，它是控制系統(tǒng)中應(yīng) 用最為廣泛的一種控制規(guī)律，實際運行的經(jīng) 驗 和理論的分析都表明 ，運用這種控制 規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到 滿 意的效果，但其參數(shù)的確定需要反復(fù) 進行調(diào)試。 通過這兩方面的改進，相信本系統(tǒng)的控制精度可以得到大幅度的提高。 華南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 參考文獻 [1]閆玉德 俞虹 MCS－ 51 單片 機 原理與應(yīng)用 機械工 業(yè) 出版社 2020 [2]賈伯年 俞樸 傳 感 器技術(shù)（修訂版） 東南 大 學(xué)出