《激光二极管温度控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光二极管温度控制系统设计.doc（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、YanCheng Institute of Technology 课程设计说明书课程名称 智能仪器设计课程设计 设计题目激光二极管温度控制系统设计专业 自动化学生姓名 刘玉龙 班级 B自动化103班 学号 1010603317 完成日期 2013年12月19日 盐城工学院电气学院目录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32.1 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53.1 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、2铂热电阻处理电路133.2 单片机介绍143.3 A/D转换器及其电路 .153.3.1 MAX187 特点.153.3.2 MAX187 管脚.163.3.3 MAX187 操作时序.17 3.3.4 MAX187 精度计算.183.3.5 MAX187 的源代码程序.193.4 系统显示电路.20 3.4.1 MAX7219 管脚. 213.4.2 MAX7219源代码程序.223.5 半导体制冷硅(TEC)简介.234 收获和体会245 参考文献266附录6.1 电路设计总图1 绪论一、背景及意义随着电子技术的发展，人们的生活日趋数字化，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来
3、的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便；支持“一线总线”接口的温度传感器简化了数字温度计的设计，降低了成本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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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。 图3：线性化电路图 pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100 即表示它在0时阻值为100 欧姆，在100时它的阻值约为138.5 欧姆。它的工业原理：当PT100 在0 摄氏度的时候他的阻值为100 欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。 组成的部分:常见的pt1oo 感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成薄膜铂电阻薄膜铂电阻：用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚
