用于光学纳米干涉仪温度控制的多路控温仪

　　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。