激光二极管温度控制系统设计.docx
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激光二极管温度控制系统设计
YanChengInstituteofTechnology
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
1绪论…………………………………………………………………2
1.1激光二极管的特点及使用…………………………………………………………………2
1.2激光二极管温度控制技术研究现状………………………………………………………2
1.3本课题的基本要求及主要研究内容………………………………………………………2
2激光二极管温度控制系统的方案设计……………………………3
2.1温控系统软件结构和流程图………………………………………………………………..4
2.2系统数据显示模块…………………………………………………………………………..5
3系统硬件设计………………………………………………………5
3.1温度传感器及其处理电路…………………………………………………………………6
3.1.1温度传感器和铂热电阻………………………………………………………………6
3.1.2铂热电阻处理电路……………………………………………………………………13
3.2单片机介绍…………………………………………………………………………………14
3.3A/D转换器及其电路……………………………………………………………………….15
3.3.1MAX187特点……………………………………………………………………….15
3.3.2MAX187管脚……………………………………………………………………….16
3.3.3MAX187操作时序………………………………………………………………….17
3.3.4MAX187精度计算…………………………………………………………………..18
3.3.5MAX187的源代码程序……………………………………………………………..19
3.4系统显示电路……………………………………………………………………………….20
3.4.1MAX7219管脚…………………………………………………………………..21
3.4.2MAX7219源代码程序……………………………………………………………..22
3.5半导体制冷硅（TEC）简介…………………………………………………………………..23
4收获和体会…………………………………………………………24
5参考文献……………………………………………………………26
6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使用，这和激光具有高亮度、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）的特点及使用
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;能在单片上和电子场效应晶体管、微波振荡管、双极性晶体管以及Ⅲ—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;在输出光束大小上和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使用，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0.3—0.4nm/℃），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、工业中使用广泛，因此对它的温度控制有很大的现实及经济意义。
1.2LD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和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的广泛使用，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:
10℃—40℃，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
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，和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温控系统软件结构和流程图
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和的数据显示芯片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。
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和温度信号的提取（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温度传感器和铂热电阻
温度是一个很重要的物理量，自然界中任何物理、化学过程都紧密地和温度相联系。
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，温度检测和控制是十分必要的。
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，对温度的检测和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和控制的精度要求比较高，系统采用了线性度、测量精度和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，膜厚在2微米以内，用玻璃
烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。
热电偶
热电偶[5]是一种感温元件，是一次仪表。
它直接测量温度，并把
温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换
成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材
质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势和温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不
同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热电偶就
是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端和显示仪表或配套仪表连接，显示仪__________表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
1：
热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温[2]度函数的差，而不是热电偶冷端和工作端，
两端温度差的函数；
2：
热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，和热电偶的长度和直径无
关，只和热电偶材料的成份和两端的温差有关；
3：
当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只和热电偶的温度
差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
将
两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。
当导体A和B
的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的
电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
特点
◆装配简单，更换方便
◆压簧式感温元件，抗震性能好
◆测量范围大
◆机械强度高，耐压性能好
◆耐高温可达2400度
热电偶-种类及结构形成
（1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势和温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有和其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
（2）热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接_②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线和热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极和有害介质充分隔离。
常用热电偶材料
热电偶分度号热电极材料使用温度范围（℃）
正极负极
S铂铑合金（铑含量10%）纯铂0-1400
R铂铑合金（铑含量13%）纯铂0-1400
B铂铑合金（铑含量30%）铂铑合金（铑含量6%）0-1400
K镍铬镍硅-200-+1000
T纯铜铜镍-200-+300
J铁铜镍-200-+600
N镍铬硅镍硅-200-+1200
E镍铬铜镍-200-+700
热电偶的种类:
装配热电偶[4]，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，
铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶,快速热电偶,钨铼热电偶等等。
热电偶的基本定律
1，均质导体定律
由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。
可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。
若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。
2，中间导体定律
在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。
使用:
依据中间导体定律，在热电偶实际测温使用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线和显示仪表连接构成测温系统。
有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线和热电偶连接处产生的接触
电势会使测量产生附加误差。
根据这个定律，是没有这个误差的！
3，中间温度定律
热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势和在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。
Tn称中间温度。
使用:
由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0℃时，不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正
4，参考电极定律
这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：
用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍硅热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍硅的值。
热电偶[3]的安装要求对热电偶和热电阻的安装,应注意有利于测温准确,安全可考及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求,在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点:
1、为了使热电偶和热电阻的测量端和被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻.
2、带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶和热电阻
应该有足够的插入深度:
（1）对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中心处（垂直安装或倾斜安装）.如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米;
（2）对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度）,为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶.浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm;
（3）假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1m
（4）当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管.
故障处理案例
热电偶输入产生故障判别法
按照仪表接线图进行正确接线通电后，仪表先是显示仪表的热电偶分度号，接着显示仪表量程范围，再测仪表下排的数码管显示设定温度，仪表上排数码管显示测量温度。
若仪表上排数码管显示不是发热体的温度，而显示“OVER”、“0000”或“000”等状况，说明仪表输入部位产生故障,应作如下试验：
A）把热电偶从仪表热电偶输入端拆下，再用任何一根导线把仪表热电偶输入端短路。
通电时，仪表上排数码管显示值约为室温时，说明热电偶内部连线开路，应更换同类型热电偶。
若还是以上所说的状况，说明仪表在运输过程中，仪表的输入端被损坏，要调换仪表。
B）把上述故障仪表的热电偶拆去，换用旁边运行正常的同种分度号仪表上接入的热电偶，通电后，原故障仪表上排数码管显示发热体温度时，说明热电偶内部连线开路，更换同类型热电偶。
若还是以上所说的状况，说明仪表在运输过程中，仪表的输入端被损坏，要更换仪表。
C）把有故障的热电偶从仪表上拆下来，用万用表放在测量欧姆（R）*1档，用万用表两表棒去测热电偶两端，若万用表上显示的电阻值很大，说明热电偶内部连接开路，更换同类型热电偶。
否则有一定阻值，说明仪表输入端有问题，应更换仪表。
2）按照仪表接线图接线正确，若仪表通电后，仪表上排数码管显示有负值等现象，说明接入仪表的热电偶“+”和“—”接错而造成的。
只要重新调换一下即可。
3）接线正确仪表在运行时，仪表上排数码管显示的温度和实际测量的温度相差
30ºC~60ºC。
甚至相差更大，说明仪表的分度号和热电偶的分度号搞错。
按热电
偶分度号B、S、K、E等热电偶的温度（ºC）和毫伏（MV）值的对应关系来看，同样
温度（ºC）的情况下，产生的毫伏值（MV）B分度号最小__________，S分度号次小，K分度号较
大，E分度号最大，按照此原理来判别。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效
应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。
其优点是：
①测量精度高。
因热电偶直接和被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
因此，它不仅广泛使用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
1．热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-1-1所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
2．热电偶的种类及结构形成
（1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势和温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有和其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
（2）热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线和热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极和有害介质充分隔离。
3．热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。
因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线和热电偶连接端的温度不能超过100℃。
4、热电阻材料
热电阻大都由纯金属材料制成，目前使用最多的是铂和铜，其中铂热电阻的测量精确度是最高的。
此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
图4为PT100
热电阻温度传感器是利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和控制。
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0℃—650℃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）（3—1）
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100Ω，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
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