光信息科学与技术毕业论文-基于mcs51单片机的激光稳频温度控制输出系统设计

光信息科学与技术毕业论文-基于mcs51单片机的激光稳频温度控制输出系统设计内容摘要：

、 具有附加软件分析功能 的“ Lovelink”通讯协议网络结合在一起，用来进行统计过程控制。 300 系列采用 的是不易失存贮器，而不需要备用电池。 Dynisco(Norwood, Nass)公司 的 2300 型 把 多种控制功能与串行通讯结合在 1/4DIN 组件中。 它的特点是 :全能可编程输入、自动稳定 PID 控制、遥控和第二给 定值功能、加热 /冷却方式和双位可编程报警。 这个单元接收所有热电偶、热电阻、 直流电压信号的输入信号。 串行通讯 在 ~ 波特范围之内可选 择 RS232, RS422 或 RS485[8]。 对国内而言，生产温度控制器的厂家很多，而生产专门用于激光器的温度控制 器相对较少。 其中比较出色的一家是广州奥 科 自动控制设备有限 公司，它们生产的 XMCT 系列温度控制器 (模块式 )具有较高的性能指标 ， 实用性强 、 可靠性较高 ， 具有 上下限报警功能。 控制温度范围 ： ～ +℃ ， 分辨率为 ℃。 ， 还有广东容 济自动化设备有限公司的 CD401/CD901 单回路温度控制器 ,其中 D901 主要功能和技 术指标如下： 主要功能： 华南理工大学学士学位论文 4 (SAT)功能 (可以自动校正 PID 常数 ) LED 显示 /制冷控制 数字通讯 ：加热器断线报警、控制环断线报警 主要技术指标： : ： 13600sec ： 13600sec[10] 由以上这些可以看出，国外的温度控制系统一般都采用了比较复杂的电路和控 制技术，因此所达到的精度都比较高，但价 格 都比较昂贵，一般都需要上千美元。 而国内的产品比较少，而且精度一般都比较 低 ，因此对半导体激光器温度控制系统 的研究是有着比较重要的学术意义和实用价值的。 本文安排与内容 图 温 度 控制系统结构框图 本文所设计的温度控制系统结构图如图 所示， 左半部的上部为前向通道， 即测温部分 ： 由激光器引起的温度变化经铂电阻 ( Pt1000)温度传感 器 （采用桥式电 路测量）转换成电信号，再由 A /D 转换器（ AD7711）送入到控制单元（ AT89C52） 中 ， 下部为后向通道 ， 即控温部分 ： 经 AD7711 送入的信号与设定的温度信号进行比 较 ， 所得的偏差信号经过调整后 ， 输出的数字控制量由 D/A 转换 器 （ LTC5620） 进入 半导体制冷 块 （ TEC） 的驱动电路 ， 进而对被控半导体激光器进行加热或制冷 ， 从而 达到控制半导体激光器温度的目的。 根据此框图我们制作了一套将 温度控制在 25℃ 的系统，对此种方法进行了验证，并达到了小于 ℃的控制精度。 本论文主要包括以下几个部分：第一部分， 控 制单元和显示单元的设计；第二 部分，前向通道设计；第三部分，后向通道的设计。 华南理工大学学士学位论文 5 第二 章 控制单元及显示器件的选择与设计 电源的选择 由于半导体制冷块的工作电流比较大 ， 若使用同一电源可能会对其它电路造成一 定的影响，因此本系统选用了两个电源分别为 TEC 和控制电路供电，其中为 TEC 供 电的是输出电压 15V， 最大输出电流 7A 的开关电源 ， 另一个为控制电路供电的 开关 电源的输出电压是 12V，最大输出电流为 5A。 因为 AD7711 等 IC 的工作电压都是 5V， 所以需要将 12V 转换为 5V。 为此我们选 择了一支 7805。 7805 是一种三端集成稳压器 ， 集成稳压器是指将功率调整管 、 取样 电路、基准稳压、差分放大器及启动、保护 电 路等全部元器件制作在一块半导体芯 片上的一种稳压集成电路。 其中 7805 具体属于三端固定输出正电压稳压器 ， 其输出 电压固定为 5V，将电源的 12V 加到它的输入端，就可以得到 5V 的输出电压为系统 的 IC 供电。 为了提高测 量精度，桥式电路的工作电压需 要 达到一定的精度，为此本系统使 用了精密电压源 AD587 为桥路供电。 AD587 可提供 V 177。 5 mV 的高精度电压， 其针脚定义如下： 7 为保留针脚悬空不用， 2 号脚为输入， 6 号脚为输出， 5 号脚和 6 号脚用于通过外接电容和可调电阻得到更加精确的输出电压。 控制单元的选择 单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功 耗 低，控制功能强及运算速度块等 特点，非常适合作为本系统的控制单元。 在我国使用最多的是 Intel 公司的 MCS－ 51 系列单片机，它包括 3 个基本型 803 805 8751， MCS51 具有比较大的寻址 空间，地址线宽达 16 条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达 216=64KB， 这作为单片机控制来说已是比较大的了， MCS－ 51 同时具备对 I/O 口的访问能力， 并且集成了几乎完善的 8 位中央处理单元，而中央处理单元中集成了方便灵活的专 用寄存器，具备硬件的加、减、乘、除法器 和 布尔处理机及各种逻辑运算和转移指 令 ， 这些都给应用提供了极大的便利。 MCS51 的指令系统近乎完善 ， 指令系统中包 含 了全面的数据传送指令、完善的算术和逻 辑 运算指令、方便的逻辑操作和控制指 令 、 对于编程来说 ， 是相当灵活和方便的。 我们选用的是具有 8052 结构的 AT89C52[3。 ] AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 华南理工大学学士学位论文 6 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 256bytes 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 ， 与标准 MCS51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位 中央处理器（ CPU）和 Flash 存储 单元，功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 主要性能参数 如下 ●与 MCS－ 51 产品指令和引脚完全兼容 ● 8k 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 ●三级加密程序存储器 ● 256 8 字节内部 RAM ● 32 个可编程 I/O 口线，分为 4 组 ● 3 个 16 位定时 /计数器 ● 8 个中断源 ●可编程串行 UART 通道 ●低功耗空闲和掉电模式 其针脚定义如表 所示 : 针脚 号 针脚符号 针脚功能简介 1～ 8 ～ P1 是一组带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口 ， 它的功能是 单一的，只能用作数据的输入 /输 出。 当用作输出端口时，可 直接输出数据，但当 P1 口的某位作为输入时，必须先向该位 写高电平 ， 再写入数据。 同时 1 脚即 可以用来作定时器 / 计数器 2 的输入 端 （ T2） ， 2 脚即 可以作为定时器 /计数器 2 的外部控制输入（ T2EX）。 9 RST 复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上 高电平 将使单片复位。 不使用复位时，一般将此位先接 10μ F 有极电容的负极，电容的正极接＋ 5V。 10～ 17 ～ P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位准双向功能口。 第一功能 是作为通用 I/O 口 ， 每位可分别定义为输入和输出。 P3 口更重 要的用途是它的第二功能 ， 10 号脚 ： RXD， 串行输入口 ； 11 号 脚 ： TXD， 串行输出口 ； 12 号脚 ： TXD， 串行输出口 ； 13 号脚： INT1， 外中断 1； 14 号脚 ： T1 定时 /计数器 1； 15 号脚 ： T1 定 时 /计数器 1； 16 号脚 ： WR， 外部数据存储器写选通 ； 17 号脚： 华南理工大学学士学位论文 7 RD，外部数据存储器读选通。 18 XTAL1 振荡器倒相放大器的输入。 使用外振荡器时，必须接地电位。 19 XTAL2 振荡器的倒相放大器的输出和内部时钟发生器的输入。 当使用 外振荡器时，接收外振荡器信号。 20 GND 输入工作电压地端。 21～ 28 ～ 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 P2 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。 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 MOVX＠ DPTR 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 MOVX＠ RI 指令 ） 时 ， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 29 PSEN 程序存储器输出允许。 从片外程序存储器取数时 ， 每个机器周 期内 PSEN 激发两 次 （然而 ， 当执行片外程序存储器的程序时， PSEN 在每次存取片外数据存储器时 ， 有两个脉冲是不出现的 ）。 从内部程序存储器读取指令时，不激发 PSEN。 30 ALE/PROG 地址锁存允许输出。 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。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信 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。 在进行 FLASH 编程时，该引脚还是编程脉冲输入端 （ PROG）。 31 EA/VPP 外部访问允许。 当 EA 为高电平时 ， CPU 执行片内程序存储器指 令。 当 EA 为为低电平时， CPU 只执行片外程序存储器指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 VPP。 39～ 32 ～ P0 口。 在访问外部数据存储器或程序存储器时， P0 口是一个 真正的双向数据总线口，并分时送出地址（低 8 位）和数据。 同时 P0 口也可以作为一般 I/O 口使用，也是准双向口，但是 此时必须外接上拉电阻。 40 VCC 输入 工作电压正端。 表 AT89C52 针 脚功能表 [3] 华南理工大学学士学位论文 8 对于本系统，使用了该芯片的 P1 口、 P2 口、 P3 口， RST 接 10μ F 电容后接＋ 5V， EA/VPP 接＋ 5V。 工作电压使用＋ 5V。 AT89C52 在本系统中的主要作用是：控制 AD7711 和 TLC5620 正常工作，读取 AD7711 转换的数据，并转换成温度，根据测得 的温度和目标温度计算差值，根据差值控制 TLC5620 的输出值。 对于系统软件的设计，使用的是 C 语言程序设计， C 语言和汇编比较起来，具 有简洁、紧凑， 使用方便灵活等特点，并且程序易读性更强。 使用的 C 编译器是： Keil uVision2， Keil uVISION2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它 支持众多不同公司的 MCS51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还 支持 PLM，汇编和 C 语言的程序设计，它的界面和常用的微软 VC++的界面相似，界 面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。 显示模块 显示模块的选择 对于本系统而言需要显示预设的温度和测得的温度值，我们使用 的是字符型液 晶显示模 块 1602C，字符型液晶显示模块 是 一类专用于显示字母、数字、符号的点 阵型液晶显示模块，它具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。 1602C 共有 16 个引 脚 （ 15 和 16 为空脚 ） ， 针脚功能定义如表 所示。 具体与 单片机的连接方式见附录 I。 针 脚 号 针 脚 符 号 针脚功能简介 1 GND 输入工作电压地端。 2 VDD 输入工作电压正端。 3 VO 显示偏置电压，用于液晶对比度 调 整，接地时对比度最大，接正电源 时对比度最低。 4 RS 数据 /命令 控制。 高电平时选择数据寄存器 ， 低电平时选择指令寄存器。 5 RW 读写 /控制。 高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 RS 和 RW 都 为低电平时，写入指令或显示地址； RS 为低而 R。