一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，包括AT89C52單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、抗混疊濾波電路、儀用放大電路，恒流源、PT1000溫度傳感器、制冷和發(fā)熱片、驅(qū)動(dòng)電路、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊以及電源模塊。溫度高精度測(cè)量采用微電流驅(qū)動(dòng)四線鉑電阻Pt1000的測(cè)溫方案，通過(guò)抗干擾濾波技術(shù)降低噪聲、抑制干擾、減少系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。恒溫控制，由單片機(jī)產(chǎn)生基于Fuzzy?智能PID復(fù)合控制算法結(jié)果指令驅(qū)動(dòng)電路，控制制冷或加熱片調(diào)控光學(xué)微球腔機(jī)械封裝體內(nèi)溫度。本實(shí)用新型提供的高精度溫控系統(tǒng)具有高精度、良好的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性等特點(diǎn)，可有效簡(jiǎn)化光學(xué)微球腔的制作和使用程序。
【專利說(shuō)明】
一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及智能控制領(lǐng)域，一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)微球腔材料的熱膨脹系數(shù)和熱光效應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度敏感，外界溫度變化或激光能量吸收都會(huì)造成材料發(fā)生熱膨脹;材料的熱膨脹和熱光效應(yīng)分別導(dǎo)致諧振腔尺寸和折射率的變化，最終造成諧振頻率變化；目前，為了減小環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)微球腔性能的影響，主要是利用紫外膠封裝微球腔，改變紫外膠的厚度從而達(dá)到改變了光在紫外膠中的比例，來(lái)調(diào)節(jié)溫度系數(shù);這種方法計(jì)算繁瑣，成本較高，選用器件復(fù)雜，且需要精確控制紫外膠包覆特性。
[0003]光學(xué)微球腔對(duì)溫度敏感，若能精確控制光學(xué)微球腔裝置內(nèi)溫度，同樣可以抑制光學(xué)微球腔的溫度效應(yīng);很顯然這類裝置無(wú)需利用紫外膠封裝微球腔，在一定程度上可簡(jiǎn)化光學(xué)微球腔制備程序，但需要高精度的溫控系統(tǒng)。高精度的溫控系統(tǒng)要求具有高精度的測(cè)量和恒溫控制。在超高精度測(cè)量中，大都使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器。它測(cè)量精度可達(dá)
0.0orc，年漂移率也不超過(guò)0.0orc;在鉑電阻測(cè)溫中，要求高精度、受環(huán)境溫度影響小的恒流源支持。高穩(wěn)定的恒流源成為高精度測(cè)量的關(guān)鍵，恒流源過(guò)大時(shí)，會(huì)引起電阻等器件發(fā)熱，產(chǎn)生自熱效應(yīng)，引起誤差;但是電流過(guò)小時(shí)，信噪比又難以保證;恒溫控制常用可控硅實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器和制冷器的操控，這需要智能化的溫度監(jiān)控算法來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供用于光學(xué)微球腔的一種高精度、高可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性的溫控系統(tǒng)。
[0005]本實(shí)用新型提供的高精度溫控系統(tǒng)包括:AT89C52單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、抗混疊濾波電路、儀用放大電路，恒流源、PT 1000溫度傳感器、制冷和發(fā)熱片、驅(qū)動(dòng)電路、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊以及電源模塊。
[0006]所述的單片機(jī)采用AT89C52單片機(jī)，是整個(gè)溫控系統(tǒng)控制核心，包括高精度溫度測(cè)量，溫度顯示和恒溫控制。
[0007]所述的A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集器的核心器件，采用具有8片內(nèi)寄存器的集成芯片AD7714，通過(guò)對(duì)片內(nèi)寄存器的編程，可實(shí)現(xiàn)通道選擇、增益選擇、濾波頻率選擇、轉(zhuǎn)換周期選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)和AD轉(zhuǎn)換等功能。
[0008]所述的抗混疊濾波電路，該電路包括低通濾波電路和采樣保持電路;低通濾波電路包括電阻R和電容C;低通濾波電路中的電容與采樣保持電路中電容并聯(lián)。
[0009]所述的儀用放大電路主要由三運(yùn)算放大器和7個(gè)電阻構(gòu)成，電壓增益由電阻調(diào)節(jié)。
[0010]所述的恒流源由5V基準(zhǔn)電壓源、阻抗變換器Al、電壓放大器A2與A3、電流放大器Ql、Q2、Q3、精密采樣電阻Rx以及反饋信號(hào)電壓跟隨器A4組成；可提供0.5mA穩(wěn)恒電流，誤差范圍小于0.04%。
[0011]所述的PTlOOO為鉑電阻溫度傳感器，放置于光學(xué)微球腔附近實(shí)時(shí)測(cè)量微球腔的溫度。
[0012]所述的制冷和加熱片，制冷片采用無(wú)機(jī)械振動(dòng)半導(dǎo)體制冷片，加熱片為金屬陶瓷發(fā)熱片。
[0013]所述的驅(qū)動(dòng)電路采用BTS7960芯片組成半橋驅(qū)動(dòng)電路，可依次對(duì)驅(qū)動(dòng)制冷和加熱片改變光學(xué)微球腔周?chē)h(huán)境溫度。
[0014]所述的顯示模塊包括ST7920中文圖形液晶模塊驅(qū)動(dòng)控制器和LCD顯示屏，在ST7920控制器驅(qū)動(dòng)配合下，可實(shí)現(xiàn)256 X 32點(diǎn)陣液晶顯示。
[0015]所述的鍵盤(pán)模塊包括ZLG7290鍵盤(pán)掃描芯片和8X 8鍵盤(pán)，主要用于光學(xué)微球腔環(huán)境溫度溫度的設(shè)定。
[0016]所述的電源模塊，包括由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，整流以及濾波電路。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果在于，提供的一種用于微球腔的高精度溫控系統(tǒng)可抑制外界環(huán)境溫度不規(guī)則變化產(chǎn)生的干擾，保證微球腔性能的穩(wěn)定;簡(jiǎn)化了溫度控制方法，降低了實(shí)驗(yàn)成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源可提供高穩(wěn)定的0.5mA電流保證溫度傳感器PT1000精確實(shí)時(shí)測(cè)溫。儀用放大電路、抗混疊濾波電路和高精度A/D轉(zhuǎn)換器組合可降低外界干擾對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。恒溫控制采用無(wú)機(jī)械振動(dòng)半導(dǎo)體制冷片、金屬陶瓷發(fā)熱片作為溫控元件，可減少溫度控制誤差、消除振動(dòng)干擾;同時(shí)搭配基于Fuzzy-智能PID復(fù)合控制算法對(duì)微球腔的溫控殼體進(jìn)行高精度恒溫控制。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1所示為本實(shí)用新型中用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)框圖。
[0019]圖2所示為本實(shí)用新型中A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)連接電路圖。
[0020]圖3所示為本實(shí)用新型中抗混疊濾波電路圖。
[0021]圖4所示為本實(shí)用新型中儀用放大電路圖。
[0022]圖5所示為本實(shí)用新型中恒流源電路圖。
[0023]圖6所示為本實(shí)用新型中Fuzzy-智能PID復(fù)合控制算法原理圖。
[0024]圖7所示為本實(shí)用新型中恒溫控制程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下文將結(jié)合具體附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型提供的用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，包括:單片機(jī)1、A/D轉(zhuǎn)換電路2、抗混疊濾波電路3、儀用放大電路4，恒流源5、PT 1000溫度傳感器6、制冷和發(fā)熱片7、驅(qū)動(dòng)電路8、顯示模塊9、鍵盤(pán)模塊10以及電源模塊11。
[0027]單片機(jī)I采用AT89C52芯片作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)高精溫度測(cè)量、溫度設(shè)定、溫度顯示以及恒溫控制。
[0028]A/D轉(zhuǎn)換電路2采用24位高分辨的集成芯片AD7714，是數(shù)據(jù)采集器的核心器件，決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度，與單片機(jī)AT89C52連接電路圖如圖2所示。
[0029]抗混疊濾波電路3，電路設(shè)計(jì)如圖3所示，主要用于衰減和濾除測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)采集到一些混疊信號(hào)；由電阻R17和電容C5組成的RC低通濾波電路，濾除高頻信號(hào)中大于低通濾波電路截止頻率1/2JTRC的干擾信號(hào);C6與高精度A/D轉(zhuǎn)換電路相連，能夠減小孔徑誤差充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的性能，同時(shí)濾除高頻諧波。
[0030]儀用放大電路4，設(shè)計(jì)電路如圖4所示，主要用于對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行高精度處理。
[0031]恒流源5，設(shè)計(jì)電路如圖5所示，當(dāng)負(fù)載電阻Λ變大時(shí)，其上瞬間壓降Kx隨之增大，則運(yùn)算放大器A3的同相輸入端與反相輸入端之間的壓差減小，輸出電壓V2小于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)運(yùn)算放大器Α2的反相輸入端產(chǎn)生微小的負(fù)電壓，Α2將其同相輸入端與反相輸入端之間的壓差進(jìn)行線性放大，輸出的正電壓使得三極管Q3的發(fā)射極電壓增大，從而維持精密采樣電阻上的壓降保持不變;當(dāng)負(fù)載電阻Λ減小時(shí)，工作過(guò)程與上述類似。
[0032]ΡΤ1000溫度傳感器6，主要用于高精度溫度測(cè)量，為消除鉑電阻引線電阻對(duì)測(cè)量精度造成的影響，PT 1000采用四線制接法。
[0033]制冷和發(fā)熱片7，用于對(duì)光學(xué)微球腔的環(huán)境溫度進(jìn)行加熱或制冷。
[0034]驅(qū)動(dòng)電路8，采用BTS7960芯片組成半橋驅(qū)動(dòng)電路，可依次對(duì)制冷和發(fā)熱片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0035]顯示模塊9，用于溫度顯示和指令狀態(tài)顯示。
[0036]鍵盤(pán)模塊10，主要用于溫度預(yù)設(shè)和指令輸入。
[0037]電源模塊11，為系統(tǒng)提供電源。
[0038]實(shí)施例:
[0039]本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，包括光學(xué)微球腔機(jī)械封裝體內(nèi)溫度的高精度測(cè)量和恒溫控制。
[0040]系統(tǒng)運(yùn)行首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入目標(biāo)溫度預(yù)想值及上下限，同時(shí)啟動(dòng)溫度傳感器ΡΤ1000，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光學(xué)微球腔機(jī)械封裝體內(nèi)溫度，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào);該信號(hào)先進(jìn)入儀用放大電路，去除共模干擾并進(jìn)行適當(dāng)放大，再通過(guò)抗混疊濾波電路將混疊信號(hào)進(jìn)行衰減和濾除;然后輸入高精度A/D轉(zhuǎn)換電路;A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字濾波，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理獲得真實(shí)溫度，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較;若實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)加熱片工作使溫度升高，反之，驅(qū)動(dòng)制冷電路工作，使溫度降低;最后顯示模塊3對(duì)溫度進(jìn)行顯示。
[0041 ] 溫度控制方法采用Fuzzy-智能PID復(fù)合控制算法，算法是基于Fuzzy模糊控制理論和智能PID控制策略，找出控制參數(shù)知(比例控制因子)，心(積分控制因子)，心(微分控制因子)與輸入量e(目標(biāo)溫度與實(shí)測(cè)溫度之間的偏差)、ec(e偏差的變化率)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三個(gè)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)修正。首先由輸入量的Fuzzy模糊控制器提供基本的PID參量，根據(jù)基本參量、微分控制項(xiàng)以及當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)分析，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)PID參量進(jìn)行智能修正；其原理圖如圖6所示。
[0042]控制程序流程圖如圖7所示;初始化主要是對(duì)各設(shè)備以及變量進(jìn)行初始化，系統(tǒng)各部分準(zhǔn)備就緒；由鍵盤(pán)輸入設(shè)定溫度值和上下限溫度(如:20±0.0IqC));啟動(dòng)溫度測(cè)量電路進(jìn)行溫度采集;判定溫度是否等于預(yù)想溫度;如若等于預(yù)想溫度啟動(dòng)顯示模塊進(jìn)行溫度顯示，如若不等于預(yù)想溫度，啟動(dòng)Fuzzy-智能PID復(fù)合算法控制器，輸出PffM波形調(diào)控后端執(zhí)行電路、進(jìn)行溫度調(diào)控，調(diào)控后延遲10ms，再次進(jìn)行溫度采集，直到溫度等于預(yù)想溫度，并進(jìn)行顯示。
[0043]本實(shí)用新型提供的一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，本申請(qǐng)雖然已經(jīng)給出了本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本實(shí)用新型精神的情況下，可以對(duì)本申請(qǐng)的實(shí)施例進(jìn)行改變。上述實(shí)施例只是示例性的，不應(yīng)以本申請(qǐng)的實(shí)施例作為本實(shí)用新型權(quán)利范圍的限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，包括:AT89C52單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、抗混疊濾波電路、儀用放大電路，恒流源、PT 100溫度傳感器、制冷和發(fā)熱片、驅(qū)動(dòng)電路、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊以及電源模塊； 所述的抗混疊濾波電路，該電路包括低通濾波電路和采樣保持電路;低通濾波電路包括電阻R和電容C;低通濾波電路中的電容與采樣保持電路中電容并聯(lián)； 所述的儀用放大電路主要由三運(yùn)算放大器和7個(gè)電阻構(gòu)成，電壓增益由電阻調(diào)節(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于光學(xué)微球腔的高精度溫控系統(tǒng)，其特征在于，恒流源由5V基準(zhǔn)電壓源、阻抗變換器Al、電壓放大器A2與A3、電流放大器Ql、Q2、Q3、精密采樣電阻Rx以及反饋信號(hào)電壓跟隨器A4組成;可提供0.5mA穩(wěn)恒電流，誤差范圍小于0.04%。
【文檔編號(hào)】G05D23/24GK205581683SQ201620363364
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】張光富, 魯娉
【申請(qǐng)人】湖南城市學(xué)院