摘要:温度变化是影响纳米干涉仪的一个重要的因素。介绍了一种精密的温度控制仪器,它以DS1624为温度传感器,利用单片机AT89C52进行数据的采集、传送、温度的控制,利用数字式电位器实现低成本的模拟量控制方案。标定后可以实现0.05℃测量精度。这种温度控制仪具有RS232通用接口,能够与上位计算机相连,实现温度的长时间测量和远程温度控制,利用PC机的计算能力得出被控系统的模型参数。实验表明在0.5h内,干涉仪达到热平衡,温度变化小于0.05℃。

　　1　背景介绍

　　光学干涉仪在不断的发展,当测量分辨率进入亚微米和纳米的时候,它们也相对脆弱,对周围环境的扰动,例如温度变化、振动、空气的扰动等等都十分的敏感。因此精心设计干涉仪系统使其对外界的干扰因素具有一定的抵抗能力是非常重要的,另一方面,也要从减小环境扰动的角度进行研究。

　　本文针对温度这一影响因素,介绍了我们研制的高精度温度控制仪,它的的优点是,以单片机为系统核心,配合新型的温度传感器DS1624,液晶显示屏,实现温度的实时测量和显示;利用标准的RS232C接口与计算机通讯能够实现长时间的温度采集和远程温度控制,同时利用计算机强大的数值计算能力完成被控系统参数的计算等工作,得到一个最优化的控制算法。

　　2　控温仪的原理

　　为了测量出环境温度变化的情况进而实现控制系统工作温度的目的,我们研制了高精度、低成本的便携式测控温仪。该控温仪使用DALLAS公司生产的DS1624为测温传感器,传感器输出为13位数字量,在-55℃~125℃的范围内提供0.03125℃的测量分辨率。通过传感器的校准和多路测量,测量精度优于0.05℃;整个系统以ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心实现温度的测量,与上位机的数据通讯和控温元件为控制核心。图1是整个控温系统的原理框图。

　　2.1　硬件说明

　　(1)温度传感器—DS1624[l]

　　DS624是一种优良的温度传感器,它不需任何外部附加的元件,直接输出13位数字量,抗外界干扰的能力强,最大的转化时间为1s;内部含有256字节E2ROM,能够在标定后作为修正数据的存储器,采用2线I2C总线传送接收数据,体积小,具有DIP8和SOIC8的封装形式。通过外部编址,在一个I2C总线上能够连接8个DS1624,易于构成多路测温系统。在与其他常用测温元件的性能比较中,它具有较高的性能价格比,具体的比较见文献[2]。

　　(2)单片机AT89C52[3]

　　AT89C52是ATMEL公司生产的MSC51系列兼容单片机,它的主要特点是内部具有256字节RAM,8K字节E2PROM。为了实现对被控系统的温度最优控制,我们以C语言重写了原测温仪的程序内核,并增加了温度控制算法,使程序长度明显上升,另外为了实现多路控温要求单片机具有更多的I/O端口,为此我们放弃只适于低端应用AT89C2051。

　　(3) D/A控制

　　在本控温仪中,数字量到模拟量的转换采用了一种新的方法,它在满足控制要求的前提下,具有极低的成本。传统的D/A控制是用集成D/A控制器,在多路并行的控制中,需要多路相同的结构,这无疑增加了系统的成本。分析控温原理我们可以发现实现精确的控温最重要的是具有准确的温度测量与合适的控温算法,对D/A控制的转换位数和转换时间的要求则不那么苛刻。为此,我们选用了电子电位器和集成运算放大器作为D/A转换的部件,实现最佳的性能价格比。

　　实际中我们选用Xicor公司的X9312非易失性数控电位器,它包含电阻阵列,存贮计数器,100进制译码器,E2PROM寄存器,输入接口[4]。具体结构见图2。在外部电器特性上它的Vh、VL和VW就相当于普通三端电位器的两个固定端和一个滑动端。如果把它接在输入信号幅值一定的运放电路的反馈回路,那么就可以构成一个放大倍数可调的程控放大器,实现数字量到模拟量的转化。

　　(4)人机接口—输入输出通道

　　人机接口主要包括三个部分:键盘2×2作为输入,点阵液晶作为输出,RS232C与计算机接口作为高级控制方式。具体的介绍可以参考相关文献,这里不再详述。

　　2.2　软件说明

　　由于一个系统温度变化是具有惰性的,因此温度控制的特点是:系统热量传递的数学模型复杂,不易描述;温度控制应该具有前瞻性,能够抑制过冲,要实现高精度,最优控制的算法困难,这是温度控制的重点。限于89C52单片机计算能力和内存的限制,在不使用外部存储器的情况下,我们采取两个步骤实现温度控制:1)被测数据通过RS232C传送到PC计算机中,在利用PC机强大的数学计算功能对被控系统的参数进行估计;2)再通过RS232C将最终模型数据回传到89C52以表格形式保存到DS1624的E2PROM中,以实现更高精度的温度控制,其框图见图3。

　　3　系统实验

　　显然从Dallas公司的器件手册说明,在-55℃—125℃的范围内DS1624的测量精度优于0.5℃,但是在实验中发现不同的DS1624对同一个温度给出不同的测量值。为此我们使用冰水混合物标定摄氏零度,作为系统误差修正。在一个密闭隔热容器中放入冰水混合物,经过一段时间,容器内的温度达到平衡;我们认为此时为0℃,与DS1624的测量温度进行比对。通过计算机采集到的2h内温度曲线,计算平均温度为Tavr=-0.920℃,在其后对所有测量数据都减去此修正值。在半小时内干涉仪系统的温度稳定在设定温度,波动小于0.05℃。

　　4　结　论

　　不同于以往的温度传感器和控制器,本文介绍了一种利用单片机和数字测温芯片、数字电位器构成的多路精密测/控温系统。它具有以下的特点:

　　·测量精度较高:测量范围内(-55℃~+125℃)测量分辨率为0.03℃;

　　·实时显示测量结果;

　　·具有计算机接口,能够将测量结果实时传送至计算机,具有长时间测量的能力;

　　·通过功率控制模块,可以很方便地与半导体制冷器件或加热器件配合完成控温工作。

　　参考文献:

　　[1] DATASHEET. DALLAS semiconductor INC., https://www.dalse-mi.com

　　[2]方佩敏. SF-10模块于温度传感器的接口电路[J].电子世界,1999(1):48

　　[3] DATASHEET. Atmel INDC., https://www.atmel.com

　　[4]武汉力源产品手册[R].武汉力源电子公司, http//:www.p8s.com

　　作者简介:程晓辉(1972-),男,河北人,清华大学博士研究生,从事光学精密测量、纳米长度测量研究。

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