高精度多通道溫控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光機(jī)溫度控制領(lǐng)域，尤其涉及一種具有多個(gè)溫度通道，且對(duì)激光機(jī) 大范圍進(jìn)行高精度控制的溫控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體激光器以其效率高、體積小、重量輕、價(jià)格低廉等特點(diǎn)在軍事、醫(yī)療、通訊等 領(lǐng)域發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。由于此類激光器工作時(shí)需要保持高穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)來(lái)確保它 的輸出功率和波長(zhǎng)，使激光器更加穩(wěn)定。所以設(shè)計(jì)高集成度、體積小、高穩(wěn)定度的溫度控制 系統(tǒng)成為亟待解決的問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)在市場(chǎng)的激光器的溫控系統(tǒng)多為單通道的系統(tǒng)，如授權(quán)公告CN103076827A的 專利文件公開(kāi)了一種小范圍內(nèi)高精度溫度控制裝置，包括用于采集控溫對(duì)象的溫度采集模 塊、用于控制控溫對(duì)象溫度的溫度制模塊，所述溫度采集模塊為NTC熱敏電阻，所述溫度控 制模塊包括PID控制器、TEC驅(qū)動(dòng)芯片和TEC制冷片；所述NTC熱敏電阻采集控溫對(duì)象進(jìn)行 溫度采集后，將采集的溫度信息輸出給PID控制器，PID控制器對(duì)輸入的溫度信息和設(shè)定的 溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號(hào)給TEC驅(qū)動(dòng)芯片，TEC驅(qū)動(dòng)芯片輸出溫度控制信號(hào) 給TEC制冷片，TEC制冷片對(duì)控溫對(duì)象進(jìn)行加熱或者制冷。
[0004] 該通過(guò)PID電路的調(diào)節(jié)，最終使小范圍內(nèi)的溫度與設(shè)定的溫度相同，并一直保持 穩(wěn)定，并且溫度控制的速度快和精確；但是該系統(tǒng)只有一個(gè)熱敏電阻，而激光器的不同部 位溫度變化不同，且不同的部位溫度控制需求也不同，有的部位需要加熱，有的部位需要降 溫，該系統(tǒng)在同一時(shí)刻，只能進(jìn)行加熱或者降溫，無(wú)法同時(shí)既加熱又制冷，且只能進(jìn)行小范 圍的溫度控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多通道，高精度的激光器溫度控制系統(tǒng)，該 溫度控制系統(tǒng)在同一時(shí)刻既可制冷也可制熱。
[0006] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種高精度多通道溫控系統(tǒng)，包括 溫度采集模塊、PID模塊、制冷/制熱模塊、MCU控制模塊和PWM輸出控制模塊，所述溫度采 集模塊包含至少兩組NTC熱敏電阻，所述制冷模塊包含至少兩組TEC制冷/熱器，所述TEC 制冷器與NTC熱敏電阻對(duì)應(yīng)，所述NTC熱敏電阻安裝在激光器的不同部位，所述溫度采集模 塊與MCU控制模塊連接，所述PID模塊分別與MCU控制模塊和PWM輸出控制模塊連接，所述 PWM輸出控制模塊與TEC制冷/熱器連接。
[0007] 多個(gè)NTC熱敏電阻可以安裝在激光器的不同部位，感應(yīng)不同部位的溫度變化，MCU 模塊、PID模塊、PWM輸出控制電路可以對(duì)每個(gè)NTC熱敏電阻的溫度變化進(jìn)行獨(dú)立處理后輸 送對(duì)應(yīng)的TEC制冷/制熱器，各個(gè)制冷器根據(jù)對(duì)應(yīng)熱敏電阻的溫度變化獨(dú)立制冷或者制熱， 可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻對(duì)激光器不同部位既制冷又制熱，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器同一部位不同時(shí)候 進(jìn)行加熱或制冷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的每個(gè)部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的制冷或者制熱。
[0008] 作為優(yōu)選，還包括通信模塊，所述通信模塊包含一個(gè)485轉(zhuǎn)換芯片，所述通信模塊 將UART信號(hào)轉(zhuǎn)換為485通訊電平信號(hào)，所述通信模塊與MCU控制模塊連接。通過(guò)通訊模塊 連接觀測(cè)設(shè)備，可是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)。
[0009] 作為優(yōu)選，所述MCU控制模塊為ARM處理器，所述PID模塊設(shè)置在ARM處理器上。 通過(guò)ARM處理器的ADC引腳，可以連接多個(gè)NTC熱敏電阻，處理速度快，TEC制冷/制熱器 響應(yīng)快，精度高，ARM處理器可以處理高精度的NTC熱敏電阻的微小溫度變化。
[0010] 作為優(yōu)選，所述PID模塊計(jì)算出NTC熱敏電阻的輸出電壓，轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)的占空 比，然后將該占空比的PWM信號(hào)給PWM驅(qū)動(dòng)芯片，PWM驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的M0S管，輸出該 占空比的PWM信號(hào)給M0S管，M0S管按PWM驅(qū)動(dòng)芯片輸出的頻率及占空比通斷，調(diào)整與M0S 對(duì)應(yīng)的TEC制冷器輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明的中溫度采集模塊中NTC熱敏電阻通道與ARM處理器的連接電路 圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明中通訊模塊的電路圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明中PWM輸出控制模塊中與圖2熱敏電阻相對(duì)應(yīng)通道的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明中的溫控系統(tǒng)采用四通道控制系統(tǒng)，既采用四個(gè)熱敏電阻，MCU控制模塊采 用ARM處理器，PID模塊設(shè)置在ARM芯片上，上述技術(shù)特征并不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍起限定 作用，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 如圖1所示，四路NTC熱敏電阻將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò) MCU控制模塊上的AD轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)PID模塊后轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)通道 的PWM信號(hào)的占空比，然后將該占空比的PWM信號(hào)輸送給對(duì)應(yīng)通道的PWM輸出控制模塊， PWM輸出控制模塊輸出電壓信號(hào)給對(duì)應(yīng)通道的TEC制冷/制熱器，通過(guò)通訊模塊可以連接外 圍觀測(cè)設(shè)備，如顯示屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)，且系統(tǒng)配置模塊可以通過(guò)通訊模 塊將信號(hào)輸送給MCU控制模塊，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行系數(shù)，系統(tǒng)配置模塊也可以 直接與MCU控制模塊連接。
[0017] 熱敏電阻NTC0通道的溫度采集電路如圖2所示，NTC0的兩端分別與節(jié)點(diǎn)J41和 節(jié)點(diǎn)J42連接，節(jié)點(diǎn)J41和分壓電阻R104與3. 3V電壓連接，節(jié)點(diǎn)J41通過(guò)電路R107與ARM 處理器的ADC引腳PTB7連接，節(jié)點(diǎn)J42接地，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間還連接一個(gè)電容C111，其中R104 的阻值為10ΚΩ，R107的阻值為1ΚΩ。其余的熱敏電阻分別對(duì)應(yīng)ARM處理器相應(yīng)的引腳， NTC2與ARM處理器的連接電路與NTC0通道基本相同，NTCUNTC3通道與ARM的連接電路與 NTC0通道的不同在于分壓電阻的阻值為4. 87ΚΩ，以適應(yīng)不同溫度采集范圍NTC。
[0018] 通過(guò)ARM處理器的ADC引腳，可以連接多個(gè)NTC熱敏電阻，通過(guò)ARM處理器可以 對(duì)NTC熱敏電阻的溫度變化進(jìn)行一一獨(dú)立處理，且處理速度快，TEC制冷/熱器響應(yīng)快，精 度高，ARM處理器可以處理高精度的NTC熱敏電阻的微小溫度變化。
[0019] 通訊模塊的電路如圖3所示，ARM處理器的串口通信引腳PTB17和PTB16分別通過(guò) 200Ω的電阻與MAX3485芯片的R0和DI引腳連接，引腳PTB7通過(guò)200Ω的電阻與MAX3485 芯片的和引腳而和DE端連接，引腳云互和DE通過(guò)10ΚΩ的電阻R321接地，MAX3485芯片 的引腳VCC連接3. 3V的電壓，引腳DI通過(guò)10K的電阻與3. 3電壓連接，引腳VCC與電線之 間還設(shè)有一個(gè)0. luP的電容，MAX3485芯片的引腳A、B分別通過(guò)瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管SD05C 與地線連接，通過(guò)引腳A、B可以連接對(duì)外圍設(shè)備。
[0020] PWM輸出控制模塊控制四路TEC的輸出電壓，每一路的功能實(shí)現(xiàn)如下：運(yùn)算器通過(guò) PID模塊計(jì)算出當(dāng)前通道NTC熱敏電阻的輸出電壓，轉(zhuǎn)換為指定頻率PWM信號(hào)的占空比，通 過(guò)對(duì)應(yīng)的PWM輸出通道輸出相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)給PWM驅(qū)動(dòng)芯片，PWM驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)對(duì) 應(yīng)的M0S管，輸出對(duì)應(yīng)的占空比PWM信號(hào)給M0S管，M0S按PWM驅(qū)動(dòng)芯片輸出的頻率及占空 比通斷，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整相應(yīng)通道的TEC制冷/熱器的輸出，達(dá)到快速溫控的目的。
[0021] 圖4為與熱敏電阻NTC0通道對(duì)應(yīng)的PWM輸出控制電路圖，ARM處理器的PE7腳通 過(guò)1ΚΩ的電阻連接型號(hào)為IR-21844的PWM驅(qū)動(dòng)芯片的SD_腳，SD_腳通過(guò)一電阻接地，引 腳PE7引腳用于控制PWM驅(qū)動(dòng)芯片的使能功能，低電平使能輸出，高電平PWM驅(qū)動(dòng)芯片不輸 出；ARM的PCT0引腳通過(guò)電阻R436連接PWM驅(qū)動(dòng)芯片的IN腳，用于給PWM驅(qū)動(dòng)芯片的PWM 信號(hào)輸入功能；PWM驅(qū)動(dòng)芯片的H0和VS腳連接上M0S管T21的G和S極，PWM驅(qū)動(dòng)芯片的 L0腳連接下M0S管T22的G極，當(dāng)H0輸出高時(shí)T21導(dǎo)通，L0將同時(shí)輸出低，保證T22不導(dǎo) 通，此時(shí)向TEC輸出指定電壓，當(dāng)H0輸出低，L0輸出高時(shí)，T21不導(dǎo)通，T22導(dǎo)通，通過(guò)T22 快速將L21中儲(chǔ)存的能量釋放；L21和C194為L(zhǎng)C電路，將M0S管輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直 流電壓，輸出給TEC。F7為保險(xiǎn)管，用于過(guò)流保護(hù)。熱敏電阻NTC1、2、3通道對(duì)應(yīng)的PWM輸 出控制電路與NTC0通道基本相同，分別對(duì)應(yīng)ARM芯片的對(duì)應(yīng)引腳。
[0022] 綜上，多個(gè)NTC熱敏電阻可以設(shè)置在激光器的不同部位，感應(yīng)不同部位的溫度變 化，ARM處理器、PID模塊、PWM輸出控制電路可以對(duì)每個(gè)NTC熱敏電阻的溫度變化進(jìn)行獨(dú)立 處理后輸送對(duì)應(yīng)的TEC制冷/熱器，各個(gè)制冷器根據(jù)對(duì)應(yīng)熱敏電阻的溫度變化獨(dú)立制冷或 者制熱，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻既制冷又制熱，對(duì)激光器的每個(gè)部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的制冷或者制熱， 且采用ARM處理器不僅響應(yīng)速度快，且可以處理高精度的熱敏電阻的微小溫度變化。通過(guò) 通訊模塊連接觀測(cè)設(shè)備，可是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)，系統(tǒng)配置模塊可以設(shè)置整個(gè)系 統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，配置不同的工作狀態(tài)，通過(guò)J41、J42等節(jié)點(diǎn)，可以連接不同的負(fù)載，增加該 系統(tǒng)的適用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高精度多通道溫控系統(tǒng)，包括溫度采集模塊、PID模塊、加熱/制冷模塊，其特征 在于：還包括MCU控制模塊、PWM輸出控制模塊，所述溫度采集模塊包含至少兩組NTC熱敏 電阻，所述加熱/制冷模塊包含至少兩組TEC制冷/熱器，所述TEC制冷器與NTC熱敏電阻 一一對(duì)應(yīng)，所述NTC熱敏電阻安裝在激光器的不同部位，所述溫度采集模塊與MCU控制模塊 連接，所述PID模塊分別與MCU控制模塊和PWM輸出控制模塊連接，所述PWM輸出控制模塊 與TEC制冷/熱器連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度多通道溫控系統(tǒng)，其特征在于：還包括通信模塊，所述 通信模塊包含一個(gè)485轉(zhuǎn)換芯片，所述通信模塊將UART信號(hào)轉(zhuǎn)換為485通訊電平信號(hào)，所 述通信模塊與MCU控制模塊連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度多通道溫控系統(tǒng)，其特征在于：還包括一個(gè)系統(tǒng)配置 模塊，所述系統(tǒng)配置與通信模塊連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度多通道溫控系統(tǒng)，其特征在于：所述MCU控制模塊為 ARM處理器，所述PID模塊為運(yùn)行在ARM處理器上的計(jì)算機(jī)子程序。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度多通道溫控系統(tǒng)，其特征在于：所述PID模塊計(jì)算出 NTC熱敏電阻的輸出電壓，轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)的占空比，然后將該占空比的PWM信號(hào)給PWM驅(qū) 動(dòng)芯片，PWM驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的MOS管，輸出該占空比的PWM信號(hào)給MOS管，MOS管按PWM 驅(qū)動(dòng)芯片輸出的頻率及占空比通斷，調(diào)整與MOS對(duì)應(yīng)的TEC制冷/熱器輸出。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度多通道溫控系統(tǒng)，包括溫度采集模塊、PID模塊、制冷模塊、MUC控制模塊和PWM輸出控制模塊，所述溫度采集模塊包含至少兩組NTC熱敏電阻，所述制冷模塊包含至少兩組TEC制冷器，所述TEC制冷/熱器與NTC熱敏電阻一一對(duì)應(yīng)，所述NTC熱敏電阻安裝在激光器的不同部位，多個(gè)NTC熱敏電阻可以安裝在激光器的不同部位，感應(yīng)不同部位的溫度變化，MCU模塊、PID模塊、PWM輸出控制電路可以對(duì)每個(gè)NTC熱敏電阻的溫度變化進(jìn)行獨(dú)立處理后輸送對(duì)應(yīng)的TEC制冷/熱器，各個(gè)制冷器根據(jù)對(duì)應(yīng)熱敏電阻的溫度變化獨(dú)立制冷或者制熱，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻對(duì)激光器不同部位既制冷又制熱，也可以同一部位在不同時(shí)刻進(jìn)行制冷或加熱，對(duì)激光器的每個(gè)部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制。
【IPC分類】G05D23/32
【公開(kāi)號(hào)】CN105353804
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510751507
【發(fā)明人】周世平, 沈宏華, 張堅(jiān)發(fā), 柯順琦
【申請(qǐng)人】銳萊特精密光電技術(shù)無(wú)錫有限公司
【公開(kāi)日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月6日