畢業(yè)論文-半導體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設計

畢業(yè)設計(論文)題目：半導體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設計系別：光電信息系專業(yè)：光電信息工程班級：B1001042021年5月7日畢業(yè)設計〔論文〕任務書1.畢業(yè)設計〔論文〕題目：半導體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設計2.題目背景和意義：3.設計(論文)的主要內(nèi)容〔理工科含技術指標〕：半導體激光器的工作溫度范圍：10最正確工作溫度：超調(diào)量：<10%超調(diào)量：<10%4.設計的根本要求及進度安排〔含起始時間、設計地點〕：〔1〕畢業(yè)設計的態(tài)度端正、認真，目的明確；〔2〕按照?西安工業(yè)大學本科畢業(yè)設計〔論文〕撰寫標準?撰寫論文；〔3〕論文的字數(shù)要求15000字以上；〔4〕參考文獻15篇以上〔5〕按照任務書的要求，進度要求完成相應的工作；〔6〕按照老師所指定的時間向老師匯報所做的工作情況?！?〕不懂的問題應及時咨詢老師設計的進度安排：第一周：明確畢業(yè)設計題目的任務、要求、及目的，第二周～第三周：查閱相關文獻，總體方案設計；第四周～第五周：完成電路圖的設計；第六周～第七周：用Petrel畫出電路圖；第七周～第八周：完成電路板的焊接；第九周～第十一周：完成PD算法的設計；第十二周～第十四周：完成單片機的C語言編程；第十五周～第十六周：完成電路的最終調(diào)試，實現(xiàn)10-40℃范圍可調(diào)，精度到達±0.2℃，超調(diào)量不大于10%；第十七周第十八周，寫出論文準備辯論5.畢業(yè)設計〔論文〕的工作量要求:①實驗〔時數(shù)〕或實習〔天數(shù)〕：②圖紙〔幅面和張數(shù)〕：③其他要求：指導教師簽名：年月日學生簽名：年月日系主任審批：年月日說明：1〕本表一式二份，一份由學生裝訂入冊，一份教師自留。2〕帶*項可根據(jù)學科特點選填。3)字體：五號，宋體。半導體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設計摘要半導體激光器的工作溫度范圍控制在10最正確工作溫度為超調(diào)量：小于10%1緒論 11.1半導體激光器溫控系統(tǒng)的研究背景 11.2半導體激光器溫控系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀 11.3研究半導體激光器恒溫系統(tǒng)的目的及意義 21.4本文主要研究工作內(nèi)容 32總體設計方案 4 4 4 5 52.2單片機的開展概況 62.3AT89C51系列單片機介紹 72.3.1AT89C51系列根本組成及特性 72.3.2AT89C51系列引腳功能 82.4數(shù)字溫度計DS18S20 102.5數(shù)碼顯示管LED 113硬件電路設計 133.1溫度采集局部 133.1.1ds18b20的測溫原理 133.2溫度處理局部 143.3溫度顯示電路 143.4報警電路 153.5系統(tǒng)整體電路圖 164系統(tǒng)軟件設計 174.1主程序設計 174.2DS18B20初始化 174.3DS18B20與單片機AT89C51的接口電路 194.4數(shù)碼管與AT89C51的連接電路 194.5仿真結果 195系統(tǒng)調(diào)試及結論分析 225.1硬件調(diào)試 22硬件電路常見故障及解決方案 22硬件調(diào)試 225.2軟件調(diào)試 23軟件電路故障及解決方法 23軟件調(diào)試 245.3結論分析 246總結 25參考文獻 26致謝 27畢業(yè)設計〔論文〕知識產(chǎn)權聲明 28畢業(yè)設計〔論文〕獨創(chuàng)性聲明 29附錄A主要程序 30附錄B焊接電路板實物 331緒論1.1半導體激光器溫控系統(tǒng)的研究背景半導體激光〔Semiconductorlaser〕在1962年被成功激發(fā)，在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。面向21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量化,以及武器裝備高精度、小型化,半導體激光器〔LD〕借助于一系列先進技術高速開展。半導體激光二極管具有體積小、轉換效率高、易調(diào)制和具有很強的集成能力等優(yōu)點，目前，半導體激光器(LD)廣泛應用于科研、國防、工業(yè)、通訊等領域。但是，因此，半導體激光器溫控系統(tǒng)的設計成為研究的必須問題被提出來。1.2半導體激光器溫控系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀上世紀90年代，Internet開始普及，光纖通信領域開始突發(fā)開展，在國外，許多IT公司，如阿爾卡特電子Liner等，都研制新型的光調(diào)整器、激光光源、光電探測器。在國內(nèi)，華為、中興等通訊制造商也著力于研究光纖通信器件。隨著網(wǎng)絡的迅猛開展，市場對通信器件的需求將越來越大。半導體激光器作為電子系統(tǒng)的核心器件，具有很大的開展、研究及市場潛力。對于半導體激光器的溫控系統(tǒng)，國內(nèi)外許多科研機構都在進行研究開發(fā)。當前在制造激光器溫度控制產(chǎn)品的國外公司中，處于領先水平的主要有:IXLight，WAVELEIVGTH，McShane，THORLABS和LinearTechnology等一些公司。Light公司生產(chǎn)的恒溫控制器主要型一號有LD5525系列、LD3700系列;WAVELENGTH公司的恒i溫控制器產(chǎn)品的主要型號有MPT系列、PID系列、HTC系列和FPT系列;McShane公司的恒溫控制器的主要型號有5C7系列;THflRLABS公司的恒溫控制器產(chǎn)品主要型號有TEC200系列;Liner以及AnalflgDevices等公司都推出了專用的熱電制冷控制器芯片，例如Liner公司的LTC1923，AnalogDeices公司的ADN8830,TI公司的DRVS93等。[1]國內(nèi)專門生產(chǎn)用于保持激光器恒溫的控制器比擬少，產(chǎn)品根本為時間比例一調(diào)節(jié)、固定參數(shù)PID調(diào)-整等。中國科學院安徽光學精密機械研究所利用數(shù)字式溫度傳感器DSP8B20制造了大功率半導體激光器恒溫致冷系統(tǒng)，控溫精度到達±0.1;中國工程程物理研究院流體物理研究所江孝國等人采用PID控制技術，研制的半導體激光器用溫度控系統(tǒng)，在18至25溫度范圍內(nèi)，溫控的穩(wěn)定度高于±0.1；天津人學精密儀器與光電工程學院周瑜等人采用熱敏阻作為測溫元件，用半導體致冷器作為溫控執(zhí)行元件，利用高共模抑制比、高輸入阻抗的運算放大器和模擬PID，研制出了一種半導體激光器用高精度溫度拄制儀，該控制精度可高達±0.05℃。[2]半導體激光器的溫度控制在國內(nèi)外都有較快的開展，我國的研究水平低于國外。在新世紀里半導體激光器的應用非常廣泛，這就要求我們在半導體溫度控制領域不斷的創(chuàng)新開展。1.3研究半導體激光器恒溫系統(tǒng)的目的及意義半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的PN結或PIN結為工作物質的一種小型化激光器，具有較高的電子一光子轉換效率，但由于存在非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制，使相當局部注入的電功率轉化為熱量。隨著溫度的升高，激光器的闡值電流將增加、輸出功率降低、發(fā)射波長紅移，造成模式的不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、嚴重影響器件的壽命，給應用帶來很大的局限性。如不及時將所產(chǎn)生的熱量移去，會造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失效。因此，必需為半導體激光器提供一個溫度恒定的工作環(huán)境。溫度對半導體激光二極管的參數(shù)如波長、轉換效率、壽命等都有很大的影響。對半導體激光器，特別是連續(xù)輸出和高重復頻率的激光器，采取合理的散熱措施和溫度控制以維持激光器在恒定溫度下工作，是保證激光器工作的穩(wěn)定性和可靠性的重要措施。1.4本文主要研究工作內(nèi)容本課題所要研究的是基于單片機控制的半導體激光器溫控制系統(tǒng)的設計，主要是介紹了對溫度的顯示、控制及報警，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。半導體激光器溫控制局部，提出了用DS18S20、AT89C51單片機及LED的硬件電路完成對溫度的實時檢測及顯示，利用DS18S20與單片機連接由軟件與硬件電路實時控制及超出設定的上下限溫度的報警系統(tǒng)?！?〕參數(shù)指標：半導體激光器的工作溫度范圍：10最正確工作溫度：超調(diào)量：小于10%〔2〕2總體設計方案通過三種方案的論述，選擇最正確的可行的方案。該溫控系統(tǒng)的總體設計主要包括：AT89C51單片機、DS18B20溫度傳感器、數(shù)碼管顯示、及按鍵設置，本章將會逐一介紹。溫度控制系統(tǒng)是比擬常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)到達自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：〔2-1〕圖2.1方案一的圖圖2.1所示的方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設定值，反應的溫度值和設定值比擬后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)

差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設定。圖2.2方案二的圖圖2.2所示的方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其根本思想與方案一相同，但由于采用上下限比擬電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設定。[3]圖2.3所示的方案采用89C51單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。采用DS18B20溫度傳感器，集成度高，接線簡單方便。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示半導體激光器溫度的實時值，能用鍵盤輸入設定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構更為簡單。結論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三是采用以ds18b20為溫度采集元件，以單片機為控制核心，的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可到達模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測得結果的精度大大提高。因此，通過對以上三種方案的分析比擬，本次畢業(yè)設計采用了方案三。2.2單片機的開展概況1970年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機〔即單片微型計算機〕—美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出能稱為單片機的MCS-48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，同時一些與單片機有關公司都爭相推出各自的單片機。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司相繼推出Z8單片機系列。1980年Intel公司在MCS-48系列根底上又推出高性能的MCS-51系列單片機。這類單片機均帶有串行I/O口，定時器/計數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量〔RAM，ROM〕都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機的根底上推出了16位單片機HPC16040和μPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機。由于16位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應用。而8位單片機已能滿足大局部應用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世。[4]縱觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多項選擇擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強I/O功能及結構兼容的方向開展。新一代的80C51系列單片機除了上述的結構特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器〔microcontroller〕完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的根底。由于80C51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。下面重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機。2.3AT89C51系列單片機介紹2.3.1AT89C51系列根本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器〔FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算ATMEL公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式到達瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。AT89C51根本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積,增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)本錢。只要程序長度小于4k,四個I/O口全部提供應用戶。可用5V電壓編程，而且寫入時間僅10毫秒,僅為8751/87C51的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比,不易損壞器件,沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。AT89C51芯片提供三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段,能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51還具有MCS-51系列單片機的所有優(yōu)點。128×8位內(nèi)部RAM,32位雙向輸入輸出線,兩個十六位定時器/計時器,5個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級,一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的,當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時,CPU可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài),內(nèi)部RAM和所有特殊的存放器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限,當振蕩器停止振動時,CPU停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能存放器值保持不變,一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。[5]2.3.2AT89C51系列引腳功能AT89C51有40引腳雙列直插〔DIP〕形式。其與80C51引腳結構根本相同，其引腳圖如圖2.4所示。圖2.4AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能表達如下：1．電源和晶振VCC——運行和程序校驗時加+5VGND——接地XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器〔當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號〕RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。2．I/O〔4個口，32根〕P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當使用片外存儲器〔ROM、RAM〕時，作地址和數(shù)據(jù)分時復用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)〔需加外部上拉電路〕。P0口〔作為總線時〕能驅動8個LSTTL負載。P1口——8位、準雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅動4個LSTTL負載。對于80C51，P1.0——T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應由程序置1。P2口——8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器〔ROM及RAM〕時，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅動4個LSTTL負載。P3口——8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負載。3．串行口P3.0——RXD〔串行輸入口〕，輸入。P3.1——TXD〔串行輸出口〕，輸出。4．中斷P3.2——INT0外部中斷0，輸入。P3.3——INT1外部中斷1，輸入。5．定時器/計數(shù)器P3.4——T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5——T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．數(shù)據(jù)存儲器選通P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。P3.7——RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V的編程電壓。注意：在加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖〔PROG〕。ALE可以驅動8個LSTTL負載。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。輸出：PSEN——片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口〔數(shù)據(jù)總線〕。PSEN可以驅動8個LSTTL負載。[6]2.4數(shù)字溫度計DS18S20在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強，模擬信號很容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。在實際的溫度測量過程中被廣泛應用，同時也取得了良好的測量效果。ds18b20的引腳圖如圖2.5所示。圖2.5ds18b20引腳圖1.〔GND〕:地2.〔DQ〕:單線運用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3.〔VDD〕：可選的電源引腳DS18S20數(shù)字溫度計的主要特性：1．DS18S20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無需外部工作電源。2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報警功能。3．DS18S20通過1-Wire?總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作溫度范圍，在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)精度為±0.5°C。5．每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。6．DS18S20的測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線〞串行傳送給CPU，同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。7．DS18S20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。根據(jù)以上這些特性而從中受益的應用包括：HVAC環(huán)境控制、室內(nèi)，設備或者機器內(nèi)部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。[7]2.5數(shù)碼顯示管LED圖2.6數(shù)碼顯示管LED引腳圖圖2.6所示為數(shù)碼管的引腳圖，LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、本錢低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由假設干個發(fā)光二極管組成的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米〞字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。本次設計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.5～2V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時取10MA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。[8]該數(shù)碼管是4位共陽數(shù)碼管，可同時顯示四位數(shù)字，單片機的P口經(jīng)三極管放大后接4個位選信號，單片機的P0口經(jīng)電阻限流后接數(shù)碼管的各個斷碼。[9]單片機AT89C51、溫度傳感器ds18b20、4位共陽數(shù)碼管，三個主要局部組本錢設計的半導體激光器的溫度控制系統(tǒng)。實現(xiàn)對半導體激光器溫度的顯示與3硬件電路設計本設計采用按鍵作為輸入控制，通過ds18b20溫度傳感器采集溫度信息，經(jīng)過，由51系列單片機AT89C51進行處理并將實際溫度值顯示在4位共陽極數(shù)碼顯示管LED上。3.1溫度采集局部ds18b20的測溫原理溫度采集局部主要是使用集成度較高的溫度傳感器ds18b20,他內(nèi)部的單元結構就可以把采集到的溫度信息，進行性模擬轉換、模擬放大等工作。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度存放器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度存放器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度存放器值的累加，此時溫度存放器中的數(shù)值即為所測溫度。ds18b20的內(nèi)部結構圖如圖3.1所示。[10]圖3.1DS18B20內(nèi)部結構3.2溫度處理局部溫度處理單元本設計采用51系列的AT89C51單片機對溫度進行處理，把ds18b20溫度傳感器測得的實時溫度與設置的上下限進行比照，當測得的溫度超過上限或者下限時系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。溫度處理局部的電路圖如下列圖3.2所示。圖3.2溫度處理電路3.3溫度顯示電路經(jīng)過AT89C51單片機對溫度采集局部采集到的溫度處理后，通過單片機的P口，經(jīng)三極管放大后接4個位選信號，再通過4位共陽數(shù)碼管顯示可以實時的顯示測量的實際溫度，該顯示局部可以把溫度精確到小數(shù)點后兩位，如圖3.3所示。圖3.3溫度顯示電路3.4報警電路報警電路在整個電路系統(tǒng)中起到一個警示的作用，當實際溫度低于或者高于，系統(tǒng)所設置的上下限時，報警電路發(fā)出聲光報警，如圖3.4所示。當實際溫度在設置的上下限范圍內(nèi)時，整個系統(tǒng)正常運行。圖3.4聲光報警電路3.5系統(tǒng)整體電路圖圖3.5系統(tǒng)整體電路圖整個溫控系統(tǒng)由，溫度采集電路、溫度處理電路、溫度顯示電路、報警電路、電源電路組成，如圖3.5所示。通過各個局部之間的相互協(xié)作，實現(xiàn)對半導體激光器的溫度有效的控制與實時檢測顯示。4系統(tǒng)軟件設計4.1主程序設計整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件根本定型后，軟件的功能也就根本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件〔主程序〕，它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件〔子程序〕，它是用來完成各種實質性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。主程序如圖4.1所示。開始開始AT89C51AT89C51初始化DS18B20初始化溫度是否在設定限度內(nèi)溫度是否在設定限度內(nèi)YYN聲光報警亮N聲光報警亮Y溫度在顯示范圍內(nèi)溫度顯示Y溫度在顯示范圍內(nèi)溫度顯示NN結束結束圖4.1主程序流程圖4.2DS18B20初始化DS18B20初始化流程圖見圖4.2。開始C51存放器初始化C51存放器初始化18b20存在？18b20存在？溫度轉換命令Y溫度轉換命令讀取溫度讀取溫度溫度數(shù)據(jù)處理溫度數(shù)據(jù)處理溫度顯示溫度顯示溫度比擬超出范？圍溫度比擬超出范？圍報報警圖4.2DS18B20初始化流程圖4.3DS18B20與單片機AT89C51的接口電路DS18B20與單片機的接口電路如圖4.3所示。圖4.3DS18B20與單片機的接口電路4.4數(shù)碼管與AT89C51的連接電路數(shù)碼管與單片機的連接電路如圖4.4所示。圖4.4數(shù)碼管與AT89C51對接4.5仿真結果設置溫度上限為30°C，溫度下限為20°C。如圖4.5所示。此時溫度為20度，在所設范圍內(nèi)，報警燈沒亮，說明溫度正常。圖4.5溫度在設置的范圍內(nèi)的仿真圖如圖4.6所示，此時溫度為8度，低于所設置的下限溫度10度，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。圖4.6溫度低于設置下限是的仿真圖如圖4.7所示，此時溫度為31度，超出了所設置的溫度上限，系統(tǒng)紅燈亮，并發(fā)出聲音報警。圖4.7溫度超出設置上限的仿真圖綜上，經(jīng)過對電路圖的仿真，證明本設計所設計的硬件電路圖及軟件程序設計，能夠滿足設計的要求，能夠對半導體激光器的溫度實時的測控，當超出所設置的溫度上下限時，系統(tǒng)報警。5系統(tǒng)調(diào)試及結論分析單片機應用系統(tǒng)樣機組裝好以后，便可進入系統(tǒng)的在線〔聯(lián)仿真器〕調(diào)試，其主要任務是排除樣機硬件故障，并完善其硬件結構，試運行所設計的程序，排除程序錯誤，優(yōu)化程序結構，使系統(tǒng)到達期望的功能，進而固化軟件。5.1硬件調(diào)試單片機應用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進行的，但通常是先排除樣機中明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能平安地和仿真器相連，進行綜合調(diào)試。仿真出預期的效果后才能開始焊接電路板。硬件電路常見故障及解決方案1．錯線、開路、短路：由于設計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的錯線、開路、短路等故障。解決方法：在畫原理圖時仔細檢查、校正即可解決。2．元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當致使器件損壞。解決方法：在設計過程中要明確各元器件的工作條件，嚴格按照制作要求進行操作，損壞的元器件要及時更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實現(xiàn)。3．電源故障：設計中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設計要求，電源引出線和插座不對應，各檔電源之間的短路，變壓器功率缺乏，內(nèi)阻大，負載能力差等。解決方法：電源必須單獨調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中。本設計中就出現(xiàn)電源故障經(jīng)過一個穩(wěn)壓電路才使其正常工作。[11]硬件調(diào)試本設計調(diào)試過程中所用的調(diào)試方法是靜態(tài)測試。在樣機加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展系統(tǒng)總線〔地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線〕是否存在相互間的短路或與其它信號線的短路。第二步是加電后檢查各個插件上引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意單片機插座上的各點電位。第三步是在不加電情況下，除單片機以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機的單片機插座和仿真器的仿真接口相連，為聯(lián)機調(diào)試做準備。5.2軟件調(diào)試軟件電路故障及解決方法設計軟件局部出現(xiàn)這種錯誤的現(xiàn)象：1．當以斷點或連續(xù)方式運行時，目標系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進行操作或什么結果也沒有，這是由于程序轉移到意外之處或在某處死循環(huán)所造成的。解決方法：這類錯誤的原因是程序中轉移地址計算錯誤、堆棧溢出、工作存放器沖突等。在采用實時多任務操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務程序中，該任務不釋放處理器，使CPU在該任務中死循環(huán)。通過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預期的功能。2．不響應中斷CPU不響應中斷或不響應某一個中斷這種錯誤的現(xiàn)象是連續(xù)運行時不執(zhí)行中斷任務程序的規(guī)定操作，當斷點設在中斷入口或中斷效勞程序中時碰不到斷點。錯誤的原因有：中斷控制存放器〔IE，IP〕的初值設置不正確，使CPU沒有開放中斷或不許某個中斷源請求；或者對片內(nèi)的定時器、串行口等特殊功能存放器和擴展的I/O口編程有錯誤，造成中斷沒有被激活；或者某一中斷效勞程序不是以RETI指令作為返回主程序的指令，CPU雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)存放器沒有被去除，從而不響應中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。解決方法：修改中斷控制存放器〔IE，IP〕的初值設置。3．結果不正確目標系統(tǒng)根本上已能正常操作，但控制有誤動作或者輸出的結果不正確。這類錯誤大多是由于計算程序中的錯誤引起的。錯誤原因沒有查明，沒有解決。軟件調(diào)試本設計使用了綜合調(diào)試，在完成了各個模塊程序〔或各個任務程序〕的調(diào)試工作以后，便可進行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點運行方式，這個階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應在目標系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運行目標程序，實現(xiàn)了預定功能技術指標后，便可將軟件固化，然后在運行固化的目標程序，成功后目標系統(tǒng)便可脫機運行。一般情況下，這樣一個應用系統(tǒng)就算研制成功了。5.3結論分析通過對系統(tǒng)硬件的調(diào)試，進一步理解了溫度控制系統(tǒng)的原理，同時也發(fā)現(xiàn)了問題，之前設計的電路缺乏對半導體激光器的溫度的實時測量，采用實時控制的方法。通過ds18b20溫度傳感器測得半導體激光器的溫度，在溫度傳感器內(nèi)部的一系列轉換、放大。把溫度信息轉化成二進制數(shù)字信息，傳輸給AT89C51單片機,進行溫度的處理，并在數(shù)碼管上顯示出來。從而控制半導體激光器的溫度，實現(xiàn)有效的對半導體激光器的溫度實時顯示并控制。6總結本設計通過介紹了基于以51系列的AT89C51單片機為核心，以ds18b20為溫度傳感器的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)的設計，對整個硬件電路和軟件程序設計做了分析。并介紹了本設計中的幾大模塊電路和設計軟件仿真，更加直觀地反映設計的正確性。通過本次畢業(yè)的設計，我有很深的感觸：當今社會在飛速開展，科學技術開展的速度更是日新月異，尤其是單片機技術在未來社會科學技術開展中一定會起著不可替代的作用，而通過本次設計無論是從硬件實現(xiàn)還是到整個程序的完成，對我個人專業(yè)能力的一次提高和表達。而本次設計主要是完成兩方面工作，硬件電路板設計、軟件程序設計。軟件設計包括用單片機設計語言設計控制系統(tǒng)并仿真、實現(xiàn)。硬件設計包括繪制電路原理圖，生成圖后制作電路板、插件焊件、再做硬件測試。通過這次設計，不僅穩(wěn)固大學期間所學的了知識，而且讓所學的知識通過實踐的形式轉化為相應的產(chǎn)品和成果，提高了自己的動手能力。通過這些都使我對采用單片機設計方法有了更深的理解和掌握，同時也讓我把所學的知識廣泛的應用到了實踐中，充分的做到了理論與實踐相結合。無論從專業(yè)知識、動手能力，還是毅志品質，都使我受益非淺。當然，在設計過程中這與老師的精心指導和同學的熱心幫助也是分不開的。雖然大學生活結束了，但我們的學習還沒有結束，只有不斷學習，不斷的提高自己，用知識充實自己的頭腦，才能在未來社會贏得屬于自己的一片天地，才能為社會的開展做出應有的奉獻。參考文獻范吉中.半導體激光器溫度控制技術的研究[D].西安：西安理工大學，2005.焦明星，郉俊紅，劉蕓等.半導體激光器溫度控制系統(tǒng)的設計[J].激光與紅外，2006,3〔4〕：261一264.李茜.半導體激光器溫度控制系統(tǒng)的研究[D].河北：燕山大學，2021.岳宇博.半導體激光電源及溫控系統(tǒng)的研究[D].吉林：長春理工大學，2021.張卓.半導體激光器溫度控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2021.黃青川，馬靜.半導體激光器溫控電路分析與測試[J].光學與光電技術，2006,4〔3〕:46一48.陶永華,尹怡欣.新型PID控制及其應用「M].北京:機械工業(yè)出社,1998,5:1一16.于泉泉.基于半導體制冷器的激光器溫度控制系統(tǒng)設計[D].山東：山東大學，2021.陳相國.基于單片機的半導體激光器溫度控制系統(tǒng)[D].天津：天津工業(yè)大學，2007.龍燕，任青毅，曹科峰.第二屆全國信息與電子工程學術交流會暨第十三屆四川省電子學會曙光分會學術年會論文集[C].四川：2006，206一209.RobertWBoyd.NonlinearOPt1es.NewYork:AeadePress,1992.宜向春,王維揚.半導體制冷器的進展[J].半導體技術.1999,24(l):14一19.王海寧.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：丁業(yè)大學,2021.FK.Gehring.PeltierCoolingofSuPereonduetingCurrentLeads.Cryogenies.2001,(41):521一528.安衛(wèi)超.基于單片機的半導體制冷溫度控制電路設計[D].華北電力大學，2021.致謝在四年大學的學習生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。在這四年的求學生涯中師長、親友給與了我大力支持，在這個翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠方，思念，思索，長長的問號一個個在求學的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。感謝我教書育人的老師，我不是你們最出色的學生，而你們卻是我最尊敬的老師。大學時代的老師治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氣氛。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了對待知識，走向社會的思考方式。在這里尤其要感謝胡小英，從論文題目的選定到論文寫作