畢業(yè)論文--半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　題目：半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別： 光電信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 光電信息工程 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p&

2、gt;　　2014年 5月7日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　2.題目背景和意義：信息技術(shù)正在深刻的影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器由于轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、易于調(diào)制和具有很強(qiáng)的集成能力等優(yōu)點(diǎn)，使其在光譜、相

3、干通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，半導(dǎo)體激光器本身存在著問(wèn)題，在半導(dǎo)體激光器中微小的電流和溫度變化將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)。因而，半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)恒控制的意義非常重要。穩(wěn)恒控制主要包括恒電流控制、恒溫控制以及恒功率控制。恒溫控制是穩(wěn)恒控制中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。例如，在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中，激光束的波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度變化而變化。所以，只有保持一個(gè)精確穩(wěn)定的激光器溫度，才能無(wú)串?dāng)_地分辨出每一個(gè)波長(zhǎng)的激光信號(hào)。雖然

4、半導(dǎo)體激光器是高效率的電子、光子轉(zhuǎn)換器件，但是由于存在各種非輻射、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，其外微分量子效率只能達(dá)到 20％～30％。相當(dāng)部分注入的電功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高。許多激光二極管參數(shù)，包括波長(zhǎng)、閾值電流、輸出功率和壽命等，都與溫度相關(guān)。所以，工作溫度對(duì)于激光二極管十分重要，必須給激光二極管提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度。在激光二極管泵浦固體激光器中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)激光</p><p>　　3

5、.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：</p><p>　　半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍：10℃～40℃；最佳工作溫度：25℃；控制精度為：0.3℃；系統(tǒng)建立時(shí)間：360秒左右；超調(diào)量：<10%；</p><p>　　時(shí)間：360秒左右；超調(diào)量：<10%；</p><p>　　目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心部件，以半導(dǎo)體制冷器為控溫元件，以溫度傳感器

6、為測(cè)溫元件的溫度控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PID控制技術(shù),對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度控制。</p><p>　　4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）：</p><p>　?。?）畢業(yè)設(shè)計(jì)的態(tài)度端正、認(rèn)真，目的明確；

7、 </p><p>　　（2）按照《西安工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》撰寫論文； </p><p>　?。?）論文的字?jǐn)?shù)要求15000字以上；

8、 </p><p>　?。?）參考文獻(xiàn)15 篇以上 </p&

9、gt;<p>　?。?）按照任務(wù)書的要求，進(jìn)度要求完成相應(yīng)的工作； </p><p

10、>　?。?）按照老師所指定的時(shí)間向老師匯報(bào)所做的工作情況。 </p><p&

11、gt;　?。?）不懂的問(wèn)題應(yīng)及時(shí)咨詢老師 </p><p>　　設(shè)計(jì)的進(jìn)度安排：

12、 </p><p>　　第一周：明確畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的任務(wù)、要求、及目的， </p><p>　　第二周～第三周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總體方案設(shè)

13、計(jì)； </p><p>　　第四周～第五周：完成電路圖的設(shè)計(jì)； </p><p>　　第六周～第七周：用Petrel畫出電路圖；

14、 </p><p>　　第七周～第八周： 完成電路板的焊接； </p><p>　　第九周～第十一周：完成PD算法的設(shè)計(jì)； </p><p>　　第十二周～第十四周：

15、完成單片機(jī)的C語(yǔ)言編程； </p><p>　　第十五周～第十六周：完成電路的最終調(diào)試，實(shí)現(xiàn)10-40℃范圍可調(diào)，精度達(dá)到±0.2℃，超調(diào)量不大于10%； </p><p>　　第十

16、七周第十八周，寫出論文準(zhǔn)備答辯 </p><p>　　5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求 : </p><p

17、>　　① 實(shí)驗(yàn)（時(shí)數(shù)）或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： </p><p>　?、?圖紙（幅面和張數(shù)）： </p><p>　?、?其他要求：

18、 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　學(xué) 生簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任審批： 年 月 日</p>

19、<p>　　說(shuō)明： 1）本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊(cè)，一份教師自留。</p><p>　　2）帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。</p><p>　　3)字體：五號(hào)，宋體。</p><p>　　半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　

20、半導(dǎo)體激光器（LD）由于轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、易于調(diào)制和具有很強(qiáng)的集成能力等優(yōu)點(diǎn)，使其在光譜、相干通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是半導(dǎo)體激光器，溫度變化將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)。許多激光器參數(shù)，包括波長(zhǎng)、閾值電流、輸出功率和壽命等，都與溫度相關(guān)。所以，工作溫度對(duì)于激光器十分重要，必須給激光二極管提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度。本課設(shè)計(jì)題通過(guò)以單片機(jī)為核心部件，以半導(dǎo)體制冷器為控溫元件，以溫度傳感器（ds1

21、8b20）為測(cè)溫元件的溫度控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PID控制技術(shù),對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度控制。通過(guò)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍控制在10℃～40℃；最佳工作溫度為25℃；控制精度為0.3℃；系統(tǒng)建立時(shí)間360秒左右；超調(diào)量：小于10%。最終有效的控制半導(dǎo)體激光器的溫度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；單片機(jī)；溫度傳感器（ds18b20）</p><p>　　The hardware

22、 design of the semiconductor laser temperature control system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Semiconductor laser (LD) due to the high conversion efficiency, small size, lightweigh

23、t, ease of modulation and a strong integration capabilities, etc., so that in the spectrum, coherent communications, laser radar, medical and other fields has been widely used. Of semiconductor lasers, fluctuations in te

24、mperature will cause the output power of the semiconductor laser. Many laser parameters, including wavelength, the threshold current, power output and lifetime are related to temperature. Theref</p><p>　　Key

25、 words: Semiconductor lasers; Microcontroller; Temperature Sensor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的研究背景1</p><p

26、>　　1.2半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3研究半導(dǎo)體激光器恒溫系統(tǒng)的目的及意義2</p><p>　　1.4本文主要研究工作內(nèi)容3</p><p>　　2 總體設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　2.1課題研究方案4</p><p>　　2.1.1方案一4</p>

27、;<p>　　2.1.2方案二5</p><p>　　2.1.3方案三5</p><p>　　2.2單片機(jī)的發(fā)展概況6</p><p>　　2.3 AT89C51系列單片機(jī)介紹7</p><p>　　2.3.1 AT89C51系列基本組成及特性7</p><p>　　2.3.2 AT89C51系

28、列引腳功能8</p><p>　　2.4數(shù)字溫度計(jì)DS18S2010</p><p>　　2.5數(shù)碼顯示管LED11</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1溫度采集部分13</p><p>　　3.1.1 ds18b20的測(cè)溫原理13</p><p>

29、　　3.2溫度處理部分14</p><p>　　3.3溫度顯示電路14</p><p>　　3.4報(bào)警電路15</p><p>　　3.5系統(tǒng)整體電路圖16</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1主程序設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2 DS18B2

30、0初始化17</p><p>　　4.3 DS18B20與單片機(jī)AT89C51的接口電路19</p><p>　　4.4數(shù)碼管與AT89C51的連接電路19</p><p>　　4.5仿真結(jié)果19</p><p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析22</p><p>　　5.1硬件調(diào)試22</p>

31、<p>　　5.1.1硬件電路常見故障及解決方案22</p><p>　　5.1.2硬件調(diào)試22</p><p>　　5.2軟件調(diào)試23</p><p>　　5.2.1軟件電路故障及解決方法23</p><p>　　5.2.2軟件調(diào)試24</p><p>　　5.3結(jié)論分析24</p>

32、;<p><b>　　6 總結(jié)25</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明28</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明29&l

33、t;/p><p>　　附錄A 主要程序30</p><p>　　附錄B 焊接電路板實(shí)物33</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的研究背景</p><p>　　半導(dǎo)體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在

34、1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。面向21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲(chǔ)大容量化,以及武器裝備高精度、小型化, 半導(dǎo)體激光器（LD）借助于一系列先進(jìn)技術(shù)高速發(fā)展。半導(dǎo)體激光二極管具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、易調(diào)制和具有很強(qiáng)的集成能力等優(yōu)點(diǎn)，目前，半導(dǎo)體激光器(LD)廣泛應(yīng)用于科研、國(guó)防、工業(yè)、通訊等領(lǐng)域。但是，在半導(dǎo)體激光器中微小的電流和溫度變化將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)。因而，半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)恒控制的意義非常重要。穩(wěn)恒控制

35、主要包括恒電流控制、恒溫控制以及恒功率控制。恒溫控制是穩(wěn)恒控制中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。工作溫度對(duì)于激光二極管十分重要，參數(shù)包括波長(zhǎng)、閾值電流、輸出功率和壽命等，都與溫度相關(guān)。因此必須給激光二極管提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度。在激光二極管泵浦固體激光器中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)激光晶體的譜線耦合，必須調(diào)整激光二極管的輸出波長(zhǎng)使其與激光晶體的吸收峰值相匹配。激光二極管的輸出波長(zhǎng)主要由其摻雜濃度、工作電流和工作溫度決定。由于有源層材料的禁帶寬度隨著溫度升

36、高而變窄，使波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，移動(dòng)量與器</p><p>　　1.2半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀</p><p>　　上世紀(jì)90年代，Internet開始普及，光纖通信領(lǐng)域開始突發(fā)發(fā)展，在國(guó)外，許多IT公司，如阿爾卡特電子Liner等，都研制新型的光調(diào)整器、激光光源、光電探測(cè)器。在國(guó)內(nèi)，華為、中興等通訊制造商也著力于研究光纖通信器件。隨著網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)通信器件的需求將越來(lái)越大。

37、半導(dǎo)體激光器作為電子系統(tǒng)的核心器件，具有很大的發(fā)展、研究及市場(chǎng)潛力。對(duì)于半導(dǎo)體激</p><p>　　光器的溫控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行研究開發(fā)。當(dāng)前在制造激光器溫度控制產(chǎn)品的國(guó)外公司中，處于領(lǐng)先水平的主要有:IXLight，WAV ELEIVGTH，McShane，THORLABS和 LinearTechnology等一些公司。Light公司生產(chǎn)的恒溫控制器主要型一號(hào)有LD5525系列、LD3700系列

38、;WAVELENGTH公司的恒i溫控制器產(chǎn)品的主要型號(hào)有MPT系列、PID系列、HTC系列和 FPT系列;McShane公司的恒溫控制器的主要型號(hào)有5C7系列;THflRLABS公司的恒溫控制器產(chǎn)品主要型號(hào)有TEC200系列;Liner以及Analflg Devices等公司都推出了專用的熱電制冷控制器芯片，例如 Liner公司的LTC 1923，Analog Deices公司的ADN8830, TI公司的DRVS 93等。[1]&l

39、t;/p><p>　　國(guó)內(nèi)專門生產(chǎn)用于保持激光器恒溫的控制器比較少，產(chǎn)品基本為時(shí)間比例一調(diào)節(jié)、固定參數(shù)PID調(diào)-整等。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所利用數(shù)字式溫度傳感器DSP8B20制造了大功率半導(dǎo)體激光器恒溫致冷系統(tǒng)，控溫精度達(dá)到±0.1℃ ;中國(guó)工程程物理研究院流體物理研究所江孝國(guó)等人采用PID控制技術(shù)，研制的半導(dǎo)體激光器用溫度控系統(tǒng)，在18℃至25℃溫度范圍內(nèi)，溫控的穩(wěn)定度高于±0.1℃；

40、天津人學(xué)精密儀器與光電工程學(xué)院周瑜等人采用熱敏阻作為測(cè)溫元件，用半導(dǎo)體致冷器作為溫控執(zhí)行元件，利用高共模抑制比、高輸入阻抗的運(yùn)算放大器和模擬PID，研制出了一種半導(dǎo)體激光器用高精度溫度拄制儀，該控制精度可高達(dá)±0.05℃。[2]</p><p>　　半導(dǎo)體激光器的溫度控制在國(guó)內(nèi)外都有較快的發(fā)展，我國(guó)的研究水平低于國(guó)外。在新世紀(jì)里半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用非常廣泛，這就要求我們?cè)诎雽?dǎo)體溫度控制領(lǐng)域不斷的創(chuàng)新發(fā)展。

41、</p><p>　　1.3研究半導(dǎo)體激光器恒溫系統(tǒng)的目的及意義</p><p>　　信息技術(shù)正在深刻的影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器（LD）由于轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、易于調(diào)制和具有很強(qiáng)的集成能力等優(yōu)點(diǎn)，使其在光譜、相干通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，半導(dǎo)體激光器本身存在著問(wèn)題，在半導(dǎo)體激光器中微小的電流和溫度變化將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)。因

42、而，半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)恒控制的意義非常重要。穩(wěn)恒控制主要包括恒電流控制、恒溫控制以及恒功率控制。恒溫控制是穩(wěn)恒控制中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。例如，在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中，激光束的波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度變化而變化。所以，只有保持一個(gè)精確穩(wěn)定的激光器溫度，才能無(wú)串?dāng)_地分辨出每一個(gè)波長(zhǎng)的激光信號(hào)。雖然半導(dǎo)體激光器是高效率的電子、光子轉(zhuǎn)換器件，但是由于存在各種非輻射、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，其外微分量子效率只能達(dá)到 20％～30％。相當(dāng)部分注入的電

43、功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高。許多激光二極管參數(shù)，包括波長(zhǎng)、閾值電流、輸出功率和壽命等，都與溫度相關(guān)。所以，工作溫度對(duì)于激光二極管十分重要，必須給激光二極管提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度。本課題設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心部件，以半導(dǎo)體制冷器為控溫</p><p>　　半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)或PIN結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器，具有較高的電子一光子轉(zhuǎn)換效率，但由于存在非輻射復(fù)合損耗

44、、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，使相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)化為熱量。隨著溫度的升高，激光器的闡值電流將增加、輸出功率降低、發(fā)射波長(zhǎng)紅移，造成模式的不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、嚴(yán)重影響器件的壽命，給應(yīng)用帶來(lái)很大的局限性。如不及時(shí)將所產(chǎn)生的熱量移去，會(huì)造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失效。因此，必需為半導(dǎo)體激光器提供一個(gè)溫度恒定的工作環(huán)境。</p><p>　　溫度對(duì)半導(dǎo)體激光二極管的參數(shù)如波長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率、壽命等都有很大的影響。對(duì)

45、半導(dǎo)體激光器，特別是連續(xù)輸出和高重復(fù)頻率的激光器，采取合理的散熱措施和溫度控制以維持激光器在恒定溫度下工作，是保證激光器工作的穩(wěn)定性和可靠性的重要措施。</p><p>　　1.4本文主要研究工作內(nèi)容</p><p>　　本課題所要研究的是基于單片機(jī)控制的半導(dǎo)體激光器溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是介紹了對(duì)溫度的顯示、控制及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。半導(dǎo)體激光器溫控制部分，提出了用DS18

46、S20、AT89C51單片機(jī)及LED的硬件電路完成對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，利用DS18S20與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路實(shí)時(shí)控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報(bào)警系統(tǒng)。</p><p>　?。?）參數(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍：10℃～40℃；最佳工作溫度：25℃；控制精度為：0.3℃；系統(tǒng)建立時(shí)間：360秒左右；超調(diào)量：小于10%。</p><p>　　（2）目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心

47、部件，以半導(dǎo)體制冷器為控溫元件，以溫度傳感器為測(cè)溫元件的溫度控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PID控制技術(shù),對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度控制。</p><p><b>　　2 總體設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　通過(guò)三種方案的論述，選擇最佳的可行的方案。該溫控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要包括：AT89C51單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、數(shù)碼管顯示、及按鍵設(shè)置，本章將會(huì)逐一介紹。<

48、/p><p><b>　　2.1課題研究方案</b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。</p><p>　　溫度是一個(gè)非線性

49、的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　2.1.1方案一</b></p><p>　　圖2.1 方案一的圖</p><p>　　圖2.1所示的方案是

50、傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)</p><p>　　差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定。</p><p><b>　　2.1.2方案二</b></p>

51、<p>　　圖2.2 方案二的圖</p><p>　　圖2.2所示的方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)定。[3]</p><p><b>　　2.1.3方案三</b></p&

52、gt;<p><b>　　圖2.3方案三的圖</b></p><p>　　圖2.3所示的方案采用89C51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。采用DS18B20溫度傳感器，集成度高，接線簡(jiǎn)單方便。單片機(jī)系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來(lái)顯示半導(dǎo)體激光器溫度的實(shí)時(shí)值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系

53、統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。</p><p>　　結(jié)論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三是采用以ds18b20為溫度采集元件，以單片機(jī)為控制核心，的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并且實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測(cè)得結(jié)果的精度大大提高。因此，通過(guò)對(duì)以上三種方案的分析比較，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案三

54、。</p><p>　　2.2單片機(jī)的發(fā)展概況</p><p>　　1970年微型計(jì)算機(jī)研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機(jī)（即單片微型計(jì)算機(jī)）— 美國(guó)Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機(jī)4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機(jī)8008，這也算是單片機(jī)的第一次公眾亮相。</p><p>　　1976年Intel公司首先推出能稱為單片機(jī)的MCS-48系列單片微型計(jì)算機(jī)

55、。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)一些與單片機(jī)有關(guān)公司都爭(zhēng)相推出各自的單片機(jī)。</p><p>　　1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機(jī)，Zilog公司相繼推出Z8單片機(jī)系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基礎(chǔ)上又推出高性能的MCS-51系列單片機(jī)。這類單片機(jī)均帶有串行I/O口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲(chǔ)容量（RAM，ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級(jí)

56、中斷處理功能，單片機(jī)的功能、尋址范圍都比早期的擴(kuò)大了，它們是當(dāng)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。</p><p>　　1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機(jī)MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了16位單片機(jī)HPC16040和μPD783××系列。</p><p>　　1987年Intel公司

57、又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機(jī)。由于16位單片機(jī)推出的時(shí)間較遲、價(jià)格昂貴、開發(fā)設(shè)備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應(yīng)用。而8位單片機(jī)已能滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出16位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型8位單片機(jī)也不斷問(wèn)世。[4]</p><p>　　縱觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)

58、大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用指日可待。</p><p>　　下面重點(diǎn)介紹一下本畢業(yè)論文討論的系

59、統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機(jī)。</p><p>　　2.3 AT89C51系列單片機(jī)介紹</p><p>　　2.3.1 AT89C51系列基本組成及特性</p><p>　　AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能C

60、MOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。</p><p>　　AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、C

61、MOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4k, 四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而

62、且寫入時(shí)間僅10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒(méi)有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定加密， 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線, 兩

63、個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器, 5個(gè)中斷源, 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí), 一</p><p>　　2.3.2 AT89C51系列引腳功能</p><p>　　AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其引腳圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4AT89C51邏輯引腳圖</p><p>　　各引腳功能敘述如下：&

64、lt;/p><p><b>　　1．電源和晶振</b></p><p>　　VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V</p><p><b>　　GND——接地</b></p><p>　　XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器</p><p>　　XTAL2——反向放大器的輸出，輸入

65、到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器</p><p>　?。ó?dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)）</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩

66、器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。</p><p>　　2．I/O（4個(gè)口，32根）</p><p>　　P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（R

67、OM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。</p><p>　　P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。對(duì)于80C51，P1.0——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。

68、</p><p>　　P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。</p><p>　　P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。</p><p

69、><b>　　3．串行口</b></p><p>　　P3.0——RXD（串行輸入口），輸入。</p><p>　　P3.1——TXD（串行輸出口），輸出。</p><p><b>　　4．中斷</b></p><p>　　P3.2——INT0外部中斷0，輸入。</p><

70、p>　　P3.3——INT1外部中斷1，輸入。</p><p><b>　　5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　P3.4——T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。</p><p>　　P3.5——T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。</p><p><b>　　6．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通</b

71、></p><p>　　P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。</p><p>　　P3.7——RD低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。</p><p>　　7．控制線(共4根)</p><p><b>　　輸入：</b></p><p>　　RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器

72、件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加21V的編程電壓。</p><p>　　注意：在加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p><b&

73、gt;　　輸入、輸出：</b></p><p>　　ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出

74、正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。</p><p>　　注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。</p><p>　　輸出：PSEN——片外程序

75、存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。[6]</p><p>　　2.4數(shù)字溫度計(jì)DS18S20</p><p>　　在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)。另外考慮到一般的測(cè)量

76、現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬信號(hào)很容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效的方案。在實(shí)際的溫度測(cè)量過(guò)程中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也取得了良好的測(cè)量效果。ds18b20的引腳圖如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5ds18b20引腳圖</p><p><b>　　1.（GND）

77、:地</b></p><p>　　2.（DQ）:單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳</p><p>　　3.（VDD）：可選的電源引腳</p><p>　　DS18S20數(shù)字溫度計(jì)的主要特性：</p><p>　　1．DS18S20的適應(yīng)電壓范圍更寬，其范圍為：3.0-5.5V，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無(wú)需外部工作電源

78、。</p><p>　　2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測(cè)量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報(bào)警功能。</p><p>　　3．DS18S20通過(guò)1-Wire®總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時(shí)，在使用過(guò)程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。</p><p>　　4．D

79、S18S20具有-55°C至+125°C的工作溫度范圍，在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)精度為±0.5°C。</p><p>　　5．每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個(gè)微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。</p><p>　

80、　6．DS18S20的測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)還可以傳送給CRC校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)的能力。</p><p>　　7．DS18S20具有負(fù)載特性，當(dāng)電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。</p><p>　　根據(jù)以上這些特性而從中受益的應(yīng)用包括：HVAC環(huán)境控制、室內(nèi)，設(shè)備或者機(jī)器內(nèi)部的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)

81、。[7]</p><p>　　2.5數(shù)碼顯示管LED</p><p>　　圖2.6數(shù)碼顯示管LED引腳圖</p><p>　　圖2.6所示為數(shù)碼管的引腳圖，LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機(jī)的應(yīng)用上也是被廣泛運(yùn)用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單

82、易行。</p><p>　　LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽(yáng)極LED

83、顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起，通常此共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計(jì)所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽(yáng)極。</p><p>　　LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.5～2V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時(shí)取10MA為宜，動(dòng)態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過(guò)40MA。[8]</p><

84、;p>　　該數(shù)碼管是4位共陽(yáng)數(shù)碼管，可同時(shí)顯示四位數(shù)字，單片機(jī)的P2.4-P2.7口經(jīng)三極管放大后接4個(gè)位選信號(hào)，單片機(jī)的P0口經(jīng)電阻限流后接數(shù)碼管的各個(gè)斷碼。[9]</p><p>　　單片機(jī)AT89C51、溫度傳感器ds18b20、4位共陽(yáng)數(shù)碼管，三個(gè)主要部分組成本設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度的顯示與 控制。</p><p>&l

85、t;b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用按鍵作為輸入控制，通過(guò)ds18b20溫度傳感器采集溫度信息，經(jīng)過(guò)，由51系列單片機(jī)AT89C51進(jìn)行處理并將實(shí)際溫度值顯示在4位共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管LED上。</p><p><b>　　3.1溫度采集部分</b></p><p>　　3.1.1 ds18b20

86、的測(cè)溫原理</p><p>　　溫度采集部分主要是使用集成度較高的溫度傳感器ds18b20,他內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)就可以把采集到的溫度信息，進(jìn)行性模擬轉(zhuǎn)換、模擬放大等工作。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信

87、號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。[10]</p><p>　　圖3.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.2

88、溫度處理部分</b></p><p>　　溫度處理單元本設(shè)計(jì)采用51系列的AT89C51單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行處理，把ds18b20溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)置的上下限進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)測(cè)得的溫度超過(guò)上限或者下限時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。溫度處理部分的電路圖如下圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2溫度處理電路</p><p><b>　　3.3溫度顯示

89、電路</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)AT89C51單片機(jī)對(duì)溫度采集部分采集到的溫度處理后，通過(guò)單片機(jī)的P2.4-P2.7口，經(jīng)三極管放大后接4個(gè)位選信號(hào)，再通過(guò)4位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示可以實(shí)時(shí)的顯示測(cè)量的實(shí)際溫度，該顯示部分可以把溫度精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3溫度顯示電路</p><p><b>　　3.4報(bào)

90、警電路</b></p><p>　　報(bào)警電路在整個(gè)電路系統(tǒng)中起到一個(gè)警示的作用，當(dāng)實(shí)際溫度低于或者高于，系統(tǒng)所設(shè)置的上下限時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警，如圖3.4所示。當(dāng)實(shí)際溫度在設(shè)置的上下限范圍內(nèi)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。</p><p>　　圖3.4聲光報(bào)警電路</p><p>　　3.5系統(tǒng)整體電路圖</p><p>　　圖3.5系

91、統(tǒng)整體電路圖</p><p>　　整個(gè)溫控系統(tǒng)由，溫度采集電路、溫度處理電路、溫度顯示電路、報(bào)警電路、電源電路組成，如圖3.5所示。通過(guò)各個(gè)部分之間的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度有效的控制與實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1主程序設(shè)計(jì)</b>&l

92、t;/p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來(lái)了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來(lái)完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量、計(jì)算、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。主

93、程序如圖4.1所示。</p><p>　　圖 4.1 主程序流程圖</p><p>　　4.2 DS18B20初始化</p><p>　　DS18B20初始化流程圖見圖4.2。</p><p><b>　　開 始</b></p><p><b>　　N</b></p&

94、gt;<p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖4.2 DS18B20初始化流程圖</p><p>　　4.3 DS18B20與單片機(jī)AT89C51的接口電路</p&

95、gt;<p>　　DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 DS18B20與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　4.4數(shù)碼管與AT89C51的連接電路</p><p>　　數(shù)碼管與單片機(jī)的連接電路如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 數(shù)碼管與AT89C51對(duì)接</p>

96、<p><b>　　4.5仿真結(jié)果</b></p><p>　　設(shè)置溫度上限為30°C，溫度下限為20°C。</p><p>　　如圖4.5所示。此時(shí)溫度為20度，在所設(shè)范圍內(nèi)，報(bào)警燈沒(méi)亮，說(shuō)明溫度正常。</p><p>　　圖4.5溫度在設(shè)置的范圍內(nèi)的仿真圖</p><p>　　如圖4

97、.6所示，此時(shí)溫度為8度，低于所設(shè)置的下限溫度10度，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。</p><p>　　圖4.6溫度低于設(shè)置下限是的仿真圖</p><p>　　如圖4.7所示，此時(shí)溫度為31度，超出了所設(shè)置的溫度上限，系統(tǒng)紅燈亮，并發(fā)出聲音報(bào)警。</p><p>　　圖4.7溫度超出設(shè)置上限的仿真圖</p><p>　　綜上，經(jīng)過(guò)對(duì)電路圖的仿真，證明本

98、設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的硬件電路圖及軟件程序設(shè)計(jì)，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，能夠?qū)Π雽?dǎo)體激光器的溫度實(shí)時(shí)的測(cè)控，當(dāng)超出所設(shè)置的溫度上下限時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。</p><p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)樣機(jī)組裝好以后，便可進(jìn)入系統(tǒng)的在線（聯(lián)仿真器）調(diào)試，其主要任務(wù)是排除樣機(jī)硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序錯(cuò)誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的功能，進(jìn)而固化

99、軟件。</p><p><b>　　5.1硬件調(diào)試</b></p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進(jìn)行的，但通常是先排除樣機(jī)中明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地和仿真器相連，進(jìn)行綜合調(diào)試。仿真出預(yù)期的效果后才能開始焊接電路板。</p><p>　　5.1.1硬件電路常見故障及解決方案</p><p&

100、gt;　　1．錯(cuò)線、開路、短路：由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的錯(cuò)線、開路、短路等故障。</p><p>　　解決方法：在畫原理圖時(shí)仔細(xì)檢查、校正即可解決。</p><p>　　2．元器件損壞：由于對(duì)元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過(guò)程中操作不當(dāng)致使器件損壞。</p><p>　　解決方法：在設(shè)計(jì)過(guò)程中要明確各元器件的工作條件，嚴(yán)格按照制作要求進(jìn)行操作，

101、損壞的元器件要及時(shí)更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3．電源故障：設(shè)計(jì)中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無(wú)法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計(jì)要求，電源引出線和插座不對(duì)應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。</p><p>　　解決方法：電源必須單獨(dú)調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件中。本設(shè)計(jì)中就出現(xiàn)電

102、源故障經(jīng)過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓電路才使其正常工作。[11]</p><p><b>　　5.1.2硬件調(diào)試</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中所用的調(diào)試方法是靜態(tài)測(cè)試。在樣機(jī)加電之前，首先用萬(wàn)用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止</p><p>　　

103、電源之間的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查擴(kuò)展系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號(hào)線的短路。第二步是加電后檢查各個(gè)插件上引腳的電位，仔細(xì)測(cè)量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)插座上的各點(diǎn)電位。第三步是在不加電情況下，除單片機(jī)以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機(jī)的單片機(jī)插座和仿真器的仿真接口相連，為聯(lián)機(jī)調(diào)試做準(zhǔn)備。 </p><p><b>　　5.2軟件調(diào)試&

104、lt;/b></p><p>　　5.2.1軟件電路故障及解決方法</p><p>　　設(shè)計(jì)軟件部分出現(xiàn)這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象：</p><p>　　1．當(dāng)以斷點(diǎn)或連續(xù)方式運(yùn)行時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)沒(méi)有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒(méi)有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之處或在某處死循環(huán)所造成的。</p><p>　　解決方法：這類錯(cuò)誤的原因是程序中轉(zhuǎn)移地址計(jì)算

105、錯(cuò)誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，錯(cuò)誤可能在操作系統(tǒng)中，沒(méi)有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)程序中，該任務(wù)不釋放處理器，使CPU在該任務(wù)中死循環(huán)。通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤程序的修改使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。</p><p><b>　　2．不響應(yīng)中斷</b></p><p>　　CPU不響應(yīng)中斷或不響應(yīng)某一個(gè)中斷這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象是連續(xù)運(yùn)行時(shí)不執(zhí)行中斷

106、任務(wù)程序的規(guī)定操作，當(dāng)斷點(diǎn)設(shè)在中斷入口或中斷服務(wù)程序中時(shí)碰不到斷點(diǎn)。</p><p>　　錯(cuò)誤的原因有：中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置不正確，使CPU沒(méi)有開放中斷或不許某個(gè)中斷源請(qǐng)求；或者對(duì)片內(nèi)的定時(shí)器、串行口等特殊功能寄存器和擴(kuò)展的I/O口編程有錯(cuò)誤，造成中斷沒(méi)有被激活；或者某一中斷服務(wù)程序不是以RETI指令作為返回主程序的指令，CPU雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒(méi)有被清除，從而不響應(yīng)中斷；或由

107、于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請(qǐng)求無(wú)效。</p><p>　　解決方法：修改中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置。</p><p><b>　　3．結(jié)果不正確</b></p><p>　　目標(biāo)系統(tǒng)基本上已能正常操作，但控制有誤動(dòng)作或者輸出的結(jié)果不正確。這類錯(cuò)誤大多是由于計(jì)算程序中的錯(cuò)誤引起的。錯(cuò)誤原因沒(méi)有查明，沒(méi)有解決。</p>

108、<p><b>　　5.2.2軟件調(diào)試</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用了綜合調(diào)試，在完成了各個(gè)模塊程序（或各個(gè)任務(wù)程序）的調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式，這個(gè)階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯(cuò)誤以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應(yīng)在目標(biāo)系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運(yùn)行目標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能技術(shù)指標(biāo)后，便可將軟件

109、固化，然后在運(yùn)行固化的目標(biāo)程序，成功后目標(biāo)系統(tǒng)便可脫機(jī)運(yùn)行。一般情況下，這樣一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就算研制成功了。</p><p><b>　　5.3結(jié)論分析</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件的調(diào)試，進(jìn)一步理解了溫度控制系統(tǒng)的原理，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，之前設(shè)計(jì)的電路缺乏對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，采用實(shí)時(shí)控制的方法。通過(guò)ds18b20溫度傳感器測(cè)得半導(dǎo)體激光器的溫度

110、，在溫度傳感器內(nèi)部的一系列轉(zhuǎn)換、放大。把溫度信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)字信息，傳輸給AT89C51單片機(jī),進(jìn)行溫度的處理，并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。從而控制半導(dǎo)體激光器的溫度，實(shí)現(xiàn)有效的對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度實(shí)時(shí)顯示并控制。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)通過(guò)介紹了基于以51系列的AT89C51單片機(jī)為核心，以ds18b20為溫度傳感器的

111、數(shù)字溫度計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)做了分析。并介紹了本設(shè)計(jì)中的幾大模塊電路和設(shè)計(jì)軟件仿真，更加直觀地反映設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　通過(guò)本次畢業(yè)的設(shè)計(jì)，我有很深的感觸：當(dāng)今社會(huì)在飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度更是日新月異，尤其是單片機(jī)技術(shù)在未來(lái)社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中一定會(huì)起著不可替代的作用，而通過(guò)本次設(shè)計(jì)無(wú)論是從硬件實(shí)現(xiàn)還是到整個(gè)程序的完成，對(duì)我個(gè)人專業(yè)能力的一次提高和體現(xiàn)。而本次設(shè)計(jì)主要是

112、完成兩方面工作，硬件電路板設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括用單片機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并仿真、實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)包括繪制電路原理圖，生成圖后制作電路板、插件焊件、再做硬件測(cè)試。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，不僅鞏固大學(xué)期間所學(xué)的了知識(shí)，而且讓所學(xué)的知識(shí)通過(guò)實(shí)踐的形式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)品和成果，提高了自己的動(dòng)手能力。通過(guò)這些都使我對(duì)采用單片機(jī)設(shè)計(jì)方法有了更深的理解和掌握，同時(shí)也讓我把所學(xué)的知識(shí)廣泛的應(yīng)用到了實(shí)踐中，充分的做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合。無(wú)論從專業(yè)知識(shí)、動(dòng)