基于單片機(jī)的微球腔溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯進(jìn)旺，馮欣悅，化雪薈（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，廣東佛山528000）

基于單片機(jī)的微球腔溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯進(jìn)旺*，馮欣悅，化雪薈
（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，廣東佛山528000）

設(shè)計(jì)了基于ADS1247的鉑電阻測(cè)溫方案，將ADS1247輸出的可編程恒定電流作為鉑電阻激勵(lì)源，并采用ADS1247集成的可編程放大器放大鉑電阻的電壓降，然后將放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行24 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換。升降溫通過BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的半橋電路分別驅(qū)動(dòng)加熱片和制冷片。在控制策略上選用增量式數(shù)字PID算法，單片機(jī)ATmega128進(jìn)行控制量計(jì)算，輸出PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路。電路結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度及穩(wěn)定性好。軟件上采用零點(diǎn)調(diào)準(zhǔn)、查表和線性插值法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度的精密測(cè)量。經(jīng)長時(shí)間實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，測(cè)量誤差在0.02℃內(nèi)，系統(tǒng)溫度控制精度優(yōu)于0.1℃。

單片機(jī)；溫度控制；精密測(cè)溫；PID控制

光學(xué)微球腔是指半徑從幾微米到幾百微米的球形光學(xué)諧振腔，通常使用的介電材料是二氧化硅等光學(xué)玻璃。近些年，光學(xué)微球腔由于具有極高的品質(zhì)因數(shù)和較小的模式體積而受到日益廣泛的關(guān)注［1］。微球腔的特性來源于其獨(dú)特的回音壁模式WGM或WG（Whispering Gallery Mode）：光波在微球內(nèi)表面上不斷進(jìn)行全反射，從而被約束在球內(nèi)并沿球的大圓繞行［2-3］。高Q特性使微球腔廣泛應(yīng)用在要求極細(xì)線寬、極高能量密度和亮度或極細(xì)微探測(cè)能力的領(lǐng)域中，例如非線性光學(xué)和腔量子電動(dòng)力學(xué)，以及窄帶光學(xué)濾波、高靈敏度運(yùn)動(dòng)傳感器和極低閾值激光器等［4-5］。在文章［6］中論證了微球腔作為高靈敏度溫度傳感器的可行性，溫度的分辨率可以達(dá)到0.1℃。

光學(xué)微球腔自身所具有的優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大［7-8］。與此同時(shí)，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ξ⑶蚯坏募夹g(shù)要求也在不斷提高。因此研究如何降低微球腔測(cè)量誤差，提高器件的測(cè)量精度具有十分重要的意義。

溫度影響是光學(xué)微球腔在研究和工程化過程中需要解決的一個(gè)重要問題。微球腔的熱膨脹系數(shù)和熱光效應(yīng)對(duì)外界溫度敏感，這會(huì)導(dǎo)致諧振頻率或波長的的漂移［9-10］。同時(shí)外界溫度的不規(guī)則變化，會(huì)引起漂移會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化，不容易進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此對(duì)微球腔的外界溫度進(jìn)行精確控制，來研究微球腔的溫度特性，保持微球腔性能的穩(wěn)定，對(duì)于后續(xù)提出新型補(bǔ)償方法，構(gòu)建高穩(wěn)定性、高精確器件具有非常重要的意義。本文針對(duì)微球腔系統(tǒng)對(duì)溫度的敏感性問題，以微球腔溫度調(diào)諧系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)測(cè)溫電路、溫度處理算法、控制電路和控制算法等進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫精度高、超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間快、溫度穩(wěn)定性好、對(duì)外界環(huán)境干擾能夠快速調(diào)整的精密溫控系統(tǒng)，滿足微球腔對(duì)溫控系統(tǒng)的要求。

1　系統(tǒng)測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)

采用恒流源法進(jìn)行鉑電阻溫度控制，需要向鉑電阻提供恒定的電流。本設(shè)計(jì)采用基于TI公司的ADS1247的鉑電阻的測(cè)溫方案，將ADS1247輸出的可編程恒定電流作為鉑電阻激勵(lì)源。測(cè)量過程中，采用ADS1247集成的可編程放大器放大鉑電阻的電壓降，并將放大器輸出信號(hào)進(jìn)行24 bit的A/D轉(zhuǎn)換。

1.1三線制鉑電阻的測(cè)量方法設(shè)計(jì)

三線制熱電阻采樣時(shí)，首先需要對(duì)多路選擇開關(guān)進(jìn)行配置。MCU通過SPI口向ADS1247寫入控制字，達(dá)到對(duì)多路選擇開關(guān)MUX的配置目的。通過配置多路選擇開關(guān)，使得2個(gè)電流源與三線制熱電阻的連接關(guān)系如圖1所示。連接關(guān)系配置結(jié)束后，配置PGA參數(shù)，然后配置電流源并啟動(dòng)電流源。

圖1　三線制熱電阻測(cè)量示意圖

當(dāng)電流流過鉑電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓降；同樣電流流過熱電阻的連線電阻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生壓降。所以加在PGA上的差分電壓如式（1）所示：

其中，U為加在PGA上的差分電壓；RPT為實(shí)際熱電阻值；RW1為熱電阻a端一根導(dǎo)線的電阻；RW2為熱電阻b端一根導(dǎo)線的電阻；I為恒流源輸出電流值。

兩路恒流源電流匯聚后，流經(jīng)參考源采樣電阻Rref產(chǎn)生電壓降，該電壓作為ADS1247內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考源，參考源電壓如式（2）所示：

其中，Uref為模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓值；Rref為實(shí)際參考電阻值；I為恒流源輸出的電流值。

通過公式推導(dǎo)，三線制熱電阻采樣值與實(shí)際值的關(guān)系如式（3）所示：

其中，Rpt為實(shí)測(cè)熱電阻值；RPT為實(shí)際熱電阻值；RREF為理論參考電阻值。由式（3）可知，三線制熱電阻測(cè)量精度與熱電阻線電阻差值（RW1-RW2）及參考源采樣電阻的精度有關(guān)。

1.2提高測(cè)量精度方法的設(shè)計(jì)

由式（3）可知，三線制電阻測(cè)量精度與參考電壓取樣電阻及熱電阻線電阻差（RW1-RW2）有關(guān)。因此，要想實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，必須選擇高精度和高穩(wěn)定性的電阻作為參考電阻采用RX70精密繞線電阻，精度為萬分之一。繞線電阻具有精度極高，工作時(shí)噪聲小，穩(wěn)定可靠，溫度系數(shù)小，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。為減小線電阻差的影響，實(shí)際應(yīng)用中保持鉑電阻導(dǎo)線等長。為減小電路板上導(dǎo)線電阻引起的誤差，鉑電阻接線端與參考電阻要盡可能靠近ADC芯片引腳，并盡量確保電路板上的導(dǎo)線等長。

在上式推導(dǎo)中，均假設(shè)PGA和ADC均不會(huì)引入誤差。但實(shí)際情況并非如此。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入為零時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出并不為零，存在誤差。使得測(cè)量不能達(dá)到預(yù)期精度。因此在啟動(dòng)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，要對(duì)ADS1247進(jìn)行系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)采用ADS1247的數(shù)字濾波器減小工頻干擾，數(shù)字濾波器放置于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，其作用是對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而達(dá)到濾除干擾噪聲的目的。數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)，實(shí)際中ADC的數(shù)據(jù)速率為5 sampling/s。數(shù)字濾波特性如圖2所示，50 Hz及60 Hz工頻干擾噪聲均被衰減70 dB以上。

圖2　數(shù)字濾波特性（5 sam p ling/s）

在電路設(shè)計(jì)上，ADS1247單獨(dú)供電，通過0Ω將模擬地與數(shù)字地隔離。在電路板上采用大面積鋪地，進(jìn)一步降低電磁干擾。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在差分輸入端與參考電壓端接濾波電容，可進(jìn)一步提高有效轉(zhuǎn)換位數(shù)。

1.3溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

ADS1247中集成了可編程放大器、24 bit精密ADC芯片和數(shù)字濾波器，很大程度上簡化了電路設(shè)計(jì)。測(cè)量電路如圖3所示。其中1、2、3端分別接鉑電阻的3根引出線。ADS1247的AIN0、AIN1引腳既作為恒流源輸出引腳，也作為PGA的差分輸入引腳。差分輸入端與參考電壓端所接濾波電容均選取2.2。

圖3　三線制鉑電阻測(cè)溫電路圖

在測(cè)溫電路設(shè)計(jì)中，采用以ADS1247模數(shù)轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，使用三線制鉑電阻和恒流源法的測(cè)溫方案，硬件上采用先進(jìn)芯片和非常簡潔的外圍電路，提高了抗干擾能力，大大減小了引線電阻等誤差因素對(duì)測(cè)量精度的影響；軟件上采用零點(diǎn)調(diào)整、查表法和線性插值法，減小了系統(tǒng)中誤差電阻等影響，并且解決了鉑電阻的非線性問題，對(duì)于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度具有非常大的幫助。測(cè)試結(jié)果顯示，電路的測(cè)量精度誤差在0.02℃以內(nèi)，分辨率為0.006 7℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

2　溫度控制模塊的設(shè)計(jì)

2.1溫控元件的選擇

采用沒有機(jī)械振動(dòng)的半導(dǎo)體制冷片作為制冷元件，這樣不僅能減少溫度的控制誤差也可以消除振動(dòng)的干擾，同時(shí)可以降低高精度溫度控制系統(tǒng)的成本。

金屬陶瓷發(fā)熱片是高溫共燒多層的金屬-陶瓷復(fù)合材料，發(fā)熱的金屬漿料層被印刷在作為絕緣介質(zhì)的氧化鋁陶瓷生坯上，再通過上面疊合另外一層氧化鋁陶瓷生坯，通過高溫共燒成為一體，其中的金屬鎢導(dǎo)電發(fā)熱，具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱良好、熱補(bǔ)償快等優(yōu)點(diǎn)。

2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，其中COLD和HEAT是電壓輸出端，分別驅(qū)動(dòng)制冷片和加熱片。

圖4　驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3溫度平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)

恒溫平臺(tái)是精密溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，為滿足系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)要求，該平臺(tái)對(duì)環(huán)境溫度變化干擾必須具有良好的抑制效果。

恒溫平臺(tái)由上下兩個(gè)箱體組成，在平臺(tái)的頂面放置制冷片和加熱片，同時(shí)安裝有齒式散熱片，平臺(tái)內(nèi)部放置微球腔及其平臺(tái)，在非常靠近微球腔的地方固定鉑電阻Pt100，以便獲取最準(zhǔn)確的微球腔所處范圍的溫度。平臺(tái)的內(nèi)外殼體為全鋁殼體，采用螺栓固定，中間填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，作為保溫夾層，以防止環(huán)境溫度的干擾以及制冷片在制冷時(shí)熱端的熱量回流。平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　溫度調(diào)諧平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4PID控制算法

本設(shè)計(jì)采用增量式PID進(jìn)行控制。在單片機(jī)中，增量式PID控制算法流程如圖6所示。

圖6　PID控制算法流程圖

3　系統(tǒng)電路及軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，程序模塊主要有初始化模塊、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊、PID控制計(jì)算模塊、控制信號(hào)輸出模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。程序流程圖如圖8所示，系統(tǒng)上電后，單片機(jī)復(fù)位，程序運(yùn)行到主函數(shù)開始處進(jìn)行單片機(jī)初始化，LCD初始化，ADC初始化，然后程序是在一個(gè)while語句的死循環(huán)中一直運(yùn)行。

圖8　系統(tǒng)軟件流程圖

4　溫控系統(tǒng)性能測(cè)試及應(yīng)用

4.1PID控制測(cè)試

首先測(cè)試溫度控制系統(tǒng)的制冷效果，平臺(tái)內(nèi)的溫度由26.5℃制冷至24.0℃。PID參數(shù)Kp=1，Ki= 0.000 3，Kd=0。效果圖如圖9（a）所示。

圖9　系統(tǒng)制冷和加熱溫度變化圖

從圖9可以看出，制冷達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間約為800 s。制冷達(dá)到穩(wěn)定后，溫度在目標(biāo)溫度24.0℃左右波動(dòng)，波動(dòng)范圍最大是0.02℃。測(cè)試溫控平臺(tái)的加熱效果，從31.1℃加熱至35.0℃。PID參數(shù)Kp=1，Ki=0.000 25，Kd=0。效果如圖9（b）所示。

從圖中可以看出，制熱達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間約為1 000 s。比制冷時(shí)間略長，這是由于加熱片的功率小于制冷片的功率。達(dá)到穩(wěn)定后，溫度在目標(biāo)溫度35.0℃左右波動(dòng)，溫度波動(dòng)范圍為0.04℃，滿足設(shè)計(jì)控制精度優(yōu)于0.1℃的要求。

4.2溫控系統(tǒng)的應(yīng)用

在實(shí)際中，應(yīng)用該溫控平臺(tái)對(duì)微球腔的外界溫度進(jìn)行了精確控制，分別進(jìn)行了變溫和恒溫實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖10所示。

圖10　實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置圖

其中信號(hào)發(fā)生器發(fā)出三角波，對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的激光通過單模光纖傳遞，并在微球腔內(nèi)發(fā)生諧振。諧振波形通過探測(cè)器感知，并與信號(hào)發(fā)生器的三角波在示波器上進(jìn)行比對(duì)。對(duì)比示波器上的波形變化可觀測(cè)溫度改變及溫度恒定時(shí)對(duì)微球腔的性能的影響。

圖11　未控制微球腔外界溫度時(shí)波形圖

圖11表示當(dāng)微球腔未放置于溫控平臺(tái)內(nèi)時(shí)，微球腔外界溫度未被控制，在10min內(nèi)，諧振波形對(duì)比圖。從圖11可以看出，波形發(fā)生了很大的漂移，外界環(huán)境中的溫度對(duì)微球腔的性能產(chǎn)生很大的影響。

圖12表示將溫度穩(wěn)定在14.0℃時(shí)，微球腔內(nèi)諧振的波形圖，每隔5min記錄一次數(shù)據(jù)，記錄25min。

通過圖12可以看出，當(dāng)微球腔外界溫度保持恒定時(shí)，微球腔的諧振波形幾乎不發(fā)生漂移。對(duì)比圖11與圖12可知，溫控平臺(tái)很好的抑制了外界溫度的干擾，保證了微球腔性能的穩(wěn)定。

圖12　溫度恒定時(shí)微球腔譜線圖

利用該實(shí)驗(yàn)，我們可通過保持微球腔外界溫度的恒定來解決漂移的不規(guī)則變化，漂移不容易補(bǔ)償?shù)葐栴}，保持微球腔性能的穩(wěn)定，進(jìn)一步提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖13表示當(dāng)溫控平臺(tái)改變微球腔外界溫度時(shí)，諧振波形發(fā)生的變化。

圖13　溫度改變時(shí)微球腔譜線漂移圖

通過對(duì)比不同溫度下的微球腔的諧振波形，可以發(fā)現(xiàn)，在溫度改變的情況下，波形發(fā)生了明顯的漂移，在實(shí)驗(yàn)中可觀測(cè)出相應(yīng)的漂移值。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過溫控平臺(tái)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

（1）該溫控平臺(tái)制冷大約需要13min達(dá)到穩(wěn)定，溫度波動(dòng)范圍為0.02℃；加熱大約需要16min達(dá)到穩(wěn)定，溫度波動(dòng)范圍為0.04℃；精度均符合設(shè)計(jì)要求。溫度通過鍵盤設(shè)定，液晶顯示當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中溫控系統(tǒng)可以很好地抑制外界環(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。恒溫控制可以很好的解決漂移的不規(guī)則變化，漂移不容易補(bǔ)償?shù)葐栴}；溫控平臺(tái)的變溫控制可用于觀測(cè)微球腔譜線漂移與溫度變化的關(guān)系；這對(duì)于后續(xù)提出新型補(bǔ)償方法，提高測(cè)量精度，構(gòu)建高穩(wěn)定性、高精確器件具有很大的幫助。

5　結(jié)論

本文通過測(cè)溫模塊和控制模塊在硬件電路、算法等方面進(jìn)行了對(duì)比設(shè)計(jì)，對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了長期的測(cè)溫和控溫測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測(cè)溫精度、控制精度和穩(wěn)定性等都能夠滿足預(yù)期的指標(biāo)要求，可以應(yīng)用于實(shí)際，為分析外界溫度如何影響微球腔的性能，及后續(xù)提出補(bǔ)償方法，構(gòu)建高穩(wěn)定性、高精確器件提供幫助。

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侯進(jìn)旺（1959-），男，河南洛陽人，碩士，副教授，主要從事工業(yè)控制電子方向的研究，houjinwang_vip@163.com；

馮欣悅（1990-），女，山西運(yùn)城人，碩士，助教，主要從事圖像處理，電子信息方向的研究；

化雪薈（1976-），女，甘肅景泰人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事應(yīng)用電子設(shè)計(jì)、移動(dòng)通信技術(shù)、傳感器應(yīng)用方向的研究。

Designed of Temperature Control System for Microsphere Cavity Based on SCM

HOU Jinwang*，F(xiàn)ENG Xinyue，HUA Xuehui
（Department of Electronic Information，F(xiàn)oshan Polytechnic Institute，F(xiàn)oshan Guangdong 528000，China）

The platinum resistance temperature program is designed based on the ADS1247.The constant current in the ADS1247 which is programmable drives the RTD（Real Time Differential）.Then，the PGA（Programmable Gain Amplifier）in the ADS1247 amplifies the voltage on the RTD.At last，the 24-Bit analog-to-digital converter converts the PGA's output.Heating and cooling through BTS7960 half bridge circuit control the temperature.The microcontroller ATmega128 calculates the controlling amountby using incremental digital PID（Proportion Integration Differentiation）algorithm，outputs the PWM signal to control the drive circuit.The circuit structure is simple with preciousmeasurementand good stability.Software adopts zero alignment，table lookup and linear interpolation method to further realize the precision of temperaturemeasurement.By the experimentalobservation for a long time，measurementerror iswithin 0.02℃and the system temperature controlprecision isbetter than 0.1℃.

SCM；high-precision temperaturemeasurement；temperature control；PID control

TN791

A

1005-9490（2016）04-0768-06

2015-08-02修改日期：2015-10-27

EEACC:7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.004