煤礦分布式光纖測溫系統(tǒng)中APD的恒溫控制

王赟

(太原市電子研究設(shè)計(jì)院，山西 太原 030002)

論文基于STC12C5A60S2單片機(jī)開發(fā)的一種數(shù)字式的反饋系統(tǒng),設(shè)計(jì)了I2C總線電路模塊、顯示模塊、加熱/制冷驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)硬件模塊。同時(shí)，使用匯編語言編寫了相應(yīng)的脈寬調(diào)制（簡稱“PWM”）的控制算法，最終使雪崩光電二極管（簡稱“APD”）溫度控制在一個(gè)恒定的范圍內(nèi),滿足了基于喇曼散射的煤礦分布式光纖測溫系統(tǒng)對APD增益穩(wěn)定的要求。

單片機(jī)；溫度傳感器；脈寬調(diào)制；恒溫控制

一、研究的意義

分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)分布式測量、準(zhǔn)確測量和實(shí)時(shí)測量。由于系統(tǒng)具有本安性和抗腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾及其測溫點(diǎn)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性、測量的準(zhǔn)確性、分布區(qū)域的廣泛性等優(yōu)點(diǎn)，將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到井下火災(zāi)預(yù)警具有廣闊的應(yīng)用前景。

二、采用雪崩光電二極管APD控溫的必要性

在研究煤礦井下基于喇曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)過程中，發(fā)現(xiàn)喇曼信號極微弱，幾乎淹沒在強(qiáng)噪聲中。一般的光電探測器是無法接收這樣的信號的,由于APD的量子效率高,具有內(nèi)部增益,可將信號倍增上百倍,而倍增后的噪聲僅與放大器自身噪聲水平相當(dāng),從而大大提高了探測系統(tǒng)的信噪比，但通過實(shí)驗(yàn)探測喇曼散射光這類強(qiáng)度型信號時(shí)，發(fā)現(xiàn)APD增益的漂移將引起測量精度的惡化,甚至造成APD破損及系統(tǒng)癱瘓,因而APD增益的穩(wěn)定在整個(gè)探測系統(tǒng)中至關(guān)重要。

三、系統(tǒng)基本原理

圖1溫度控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

論文設(shè)計(jì)了一種智能化的數(shù)字式反饋恒溫系統(tǒng)。溫度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成輸入通道，用于采集溫度信號。由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器進(jìn)行比較運(yùn)算，經(jīng)過比較后調(diào)整占空比調(diào)節(jié)溫度，同時(shí)把當(dāng)前溫度傳輸?shù)接?jì)算機(jī)和電路板的數(shù)碼管上。

四、單片機(jī)系統(tǒng)主要功能模塊的電路設(shè)計(jì)

（一）I2C總線數(shù)據(jù)傳輸模塊

I2C總線只用兩根地址線就可最多串聯(lián)四個(gè)組件，接口直接與組件相連，大大減少了I2C總線的占用空間，降低了芯片管腳的使用數(shù)量，使數(shù)據(jù)傳輸更加有效和簡單，在保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性不變的情況下，節(jié)約了連接成本。該系統(tǒng)中ADT7410溫度傳感器的控制經(jīng)由I2C兼容串行接口實(shí)現(xiàn)，ADT7410作為從器件連接至總線，受單片機(jī)控制。

（二）顯示模塊

該系統(tǒng)中溫度顯示采用的是“8”字形的七段數(shù)碼管顯示。當(dāng)單片機(jī)向控制a-g七段及小數(shù)點(diǎn)dp的8條地址線輸出高電平(“1”)時(shí)，數(shù)碼管被點(diǎn)亮，片選信號為低電平有效，要求向哪個(gè)數(shù)碼管輸出數(shù)據(jù)時(shí)，哪個(gè)數(shù)碼管被選為低電平，其他三個(gè)輸出高電平(“1”)。

（三）加熱/制冷驅(qū)動(dòng)電路

該溫控系統(tǒng)的加熱制冷部分采用半導(dǎo)體制冷片來實(shí)現(xiàn)。低電頻驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行加熱，高電頻實(shí)現(xiàn)制冷，以上兩路信號不會(huì)同時(shí)輸出。經(jīng)驅(qū)動(dòng)12C帶常開常閉雙觸點(diǎn)的繼電器，控制并切換加在半導(dǎo)體制冷片上的工作電壓極性，實(shí)現(xiàn)加熱和制冷。

（四）恒溫系統(tǒng)的構(gòu)成

使元件溫度保持穩(wěn)定的一種方法是把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內(nèi)。最外層是一個(gè)黑色鋁制盒體，內(nèi)部是一個(gè)銀色盒體，內(nèi)外盒體之間使用石棉保溫材料填充，光電探測系統(tǒng)放置在內(nèi)部盒體中，用螺絲固定在盒體底板上，并用上蓋覆蓋，左右擋板固定。一路溫度傳感器放置在內(nèi)盒之中以檢測光電探測子系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境溫度，通過I2C總線傳輸至溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制調(diào)節(jié)。另一路傳感器檢測整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境溫度，并與內(nèi)部溫度進(jìn)行比較運(yùn)算，調(diào)節(jié)盒體內(nèi)部溫度使之保持在一個(gè)恒定的范圍之內(nèi)。

五、PWM恒溫控制算法

溫度控制算法的核心是脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制。單片機(jī)STC12C5A60S2芯片內(nèi)部包含有PWM控制器，通過調(diào)整單片機(jī)控制輸出來調(diào)整制冷或加熱的占空比，即在輸出的PWM中調(diào)整輸出電頻保持的時(shí)間，從而有效抑制過充現(xiàn)象。采用PWM控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制有兩方面的考慮：第一是省略了數(shù)字與模擬之間的轉(zhuǎn)換，從單片機(jī)到ADT7410溫度傳感器整個(gè)過程中的電頻信號都是數(shù)字的，節(jié)約了硬件成本，簡化了軟件的編程；第二是作為數(shù)字形式的電頻信號可以有效地克服噪聲帶來的影響。噪聲要想對數(shù)字信號產(chǎn)生影響，只有噪聲強(qiáng)度達(dá)到足以將邏輯0改變?yōu)檫壿?時(shí)或邏輯1改變?yōu)檫壿?時(shí)才能起作用。

在研究井下分布式光纖測溫系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)APD的溫度特性嚴(yán)重影響了測溫的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，甚至?xí)斐葾PD的破損及系統(tǒng)癱瘓。為了解決這個(gè)問題論文設(shè)計(jì)了一個(gè)APD恒溫控制系統(tǒng)，即通過軟件與硬件的相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了APD的增益補(bǔ)償。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了APD的增益穩(wěn)定性，增強(qiáng)了系統(tǒng)對環(huán)境溫度的適應(yīng)能力。

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