畢業(yè)論文模板 (1)

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1、 本科畢業(yè)論文 （2014屆本科畢業(yè)生） 題　　目： 高靈敏度溫控電路的 設計與開發(fā) 學生姓名： 李俊燕 學生學號： 100712031111 學院名稱： 物電學院 專業(yè)名稱： 光信息科學與技術 指導教師： 韓丙辰 目 錄 （小2號黑體、段前段后空1行） 摘要 （小4號宋體）………………………………………………………………I ABSTRACT ……………………………………………

2、………………………II 引言 …………………………………………………………………………………1 一、幼兒人格教育的意義 …………………………………………………………10 （一）幼兒人格教育的重要性 …………………………………………10 1．幼兒健全人格教育是實現(xiàn)素質教育的需要……………………………12 2．XXXXXXXXXXXX……………………………………………………………16 3．XXXXX……………………………………………………………………16 二、研究結果與分析…………………………………………………………………28 （一）XXXXX…………………

3、…………………………………………………36 （二）XXXXX……………………………………………………………………42 三、結論與建議………………………………………………………………………52 （一）XXXXX………………………………………………………………………52 1．XXXX………………………………………………………………………54 2．XXXX………………………………………………………………………54 注釋及參考文獻……………………………………………………………………58 附錄…………………………………………………………………………………66

4、 致謝…………………………………………………………………………70 （目錄頁無須加頁碼） III 高靈敏度溫控電路的設計與開發(fā) 光信息科學與技術 李俊燕 指導教師 韓炳成 【摘 要】 半導體激光器，是以半導體材料為工作物質的一類激光器。目前，半導體激光器已廣泛應用于科研、國防、醫(yī)療等領域中。半導體激光器是一種溫度敏感器件，微小的溫度能使半導體激光器的輸出波長產生明顯的變化，而光纖通信系統(tǒng)要求半導體激光器工作在恒定的固定波長狀態(tài)，因此需要對半導體激光器的溫度進行控制。本課題采用熱敏電阻作為溫度

5、傳感器，利用無污染制冷效果顯著的制冷器件—半導體制冷器作為系統(tǒng)執(zhí)行原件，提出一種基于MX1968的PID技術的高靈敏度半導體激光器溫控電路系統(tǒng)，使溫度精度控制在正負0.1℃。 【關鍵詞】半導體激光器 半導體制冷器 PID技術 熱敏電阻 High sensitivity temperature control circuit design and development Optical information science and techn

6、ology LiJunYan Tutor HanBingCheng 【Abstract】Semiconductor lasers, laser based on semiconductor materials for work matter.At present, the semiconductor laser has been widely used in scientific research, national defense, medical and other fields.Semiconductor laser is a kind of temperature sen

7、sitive components, small temperature can make the output wavelength of semiconductor lasers have obvious changes, and the optical fiber communication system for semiconductor laser work in a constant state of fixed wavelength, so you need to control the temperature of the semiconductor laser.This to

8、pic using thermal resistor as temperature sensor, the use of pollution-free refrigeration devices, semiconductor refrigerator refrigeration effect is remarkable as the original system, put forward a kind of high sensitive semiconductor laser based on the technology of MX1968 PID temperature control

9、circuit system, make the precision of temperature control in the plus or minus 0.1 ℃. 【Key words】Semiconductor laser Semiconductor refrigerator PID technology Thermistor II 引言 世界上第一個激光器的成功演示距今已近50年了。在此期間，激光科學技術以其強大的生命力譜寫了一部典型的學科交叉的發(fā)明史。激光的應用已經(jīng)遍及科技、經(jīng)濟、軍事、社會

10、發(fā)展的許多領域，遠遠超出了人們原有的夢想。激光器未來的發(fā)展充滿了巨大的機遇、挑戰(zhàn)和創(chuàng)新空間。 1、 半導體激光器 （一）半導體激光器的工作原理及其特點 半導體激光器又稱激光二極管（LD)，是以一定的半導體材料做工作物質而產生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間，或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉，當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時,便產生受激發(fā)射作用。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能

11、電子束激勵式。電注入式半導體激光器一般是由GaAS(砷化鎵)，InAS(砷化銦)，Insb(銻化銦)等材料制成的半導體面結型二極管。沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區(qū)域產生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器一般用N型或P型半導體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質。通過由外部注入高能電子束進行激勵.在半導體激光器件中，目前性能較好應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器。 除了具有激光器的共同特點外，半導體激光器還具有以下優(yōu)點：

12、 （1）體積小、重量輕； （2）驅動功率和電流較低； （3）效率高、工作壽命長； （4）可直接電調制； （5）易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電集成； （6）與半導體制造技術兼容、可大批量生產； （7）能調節(jié)輸出光束的波長使其工作在典型硅基光纖的低損耗、低色散區(qū)。 （二）半導體激光器的溫度特性 LD的多項性能和溫度有關，例如輸出光功率和波長。這里主要討論溫度對激光器輸出功率的影響，主要包括兩個方面：一是激光器的閥值電流隨溫度的升高而增大，而是微分外量子效率隨溫度的升高而下降。二者都能使LD在溫度升高時輸出功率顯著下降，直到高到一定溫度時，激光器工作停止。 LD的溫度特性常用材料的特

13、征溫度T0來表述，它與閥值電流It的關系為 式中，T為結區(qū)熱力學溫度，Tt為室溫（300K）。T0越高，LD的熱穩(wěn)定性就越好。 （3） 半導體激光器的實用組件 激光器組件是指在一個緊密結構中，除激光二極管（LD）芯片外，還配置其他元件和實現(xiàn)LD工作必要的少量電路塊的集成器件。主要包括： （1） 光隔離器：其作用是防止LD輸出的激光反射，實現(xiàn)光的單向傳輸。位于LD的輸出光路上； （2） 監(jiān)視光電二極管；其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，通常用于自動功率控制。位于LD背出光面； （3） 尾纖和連接器； （4） LD的驅動電路 （5） 熱敏電阻：測量組件內溫度； （6）

14、熱電制冷器：一種半導體熱電元件，通過改變外部工作電流的極性達到加熱和冷卻的目的。 （7） 其他準直激光器輸出場的透鏡、光纖耦合器及固定光纖支架等。 2、 常見溫度控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱開環(huán)。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相對。控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱為無反饋控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與被控對象組成。控制器通常具有功率放

15、大的功能。同閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，開環(huán)控制系統(tǒng)的結構要簡單得多，同時也比較經(jīng)濟。 開環(huán)控制系統(tǒng)主要是用于增強型的系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 　 由信號正向通路和反饋通路構成閉合回路的自動控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。 　 基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。

16、在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動調節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。 　　反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對象和反饋通路組成（見圖）。圖中帶叉號的圓圈為比較環(huán)節(jié)，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變量為實際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅動相應的執(zhí)行機構進行控制。 　　同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制

17、系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復雜性，而且增益選擇不當時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構成復合控制系統(tǒng)。 由于本課題被控對象控制范圍大，控制精度高，課題采用閉環(huán)負反饋溫控式系統(tǒng)。 3、 溫度傳感器 本系統(tǒng)采用熱敏電阻做溫度傳感器件。 （1） 熱敏電阻簡介 熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件．熱

18、敏電阻由半導體陶瓷材料組成， 熱敏電阻是用半導體材料，大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。利用的原理是溫度引起電阻變化．若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導體的電導為： σ=q（nμn+pμp） 因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導而推算出溫度

19、的高低，并能做出電阻-溫度特性曲線．這就是半導體熱敏電阻的工作原理．熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）和負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。 （2） 熱敏電阻特點 熱敏電阻的主要特點是： ①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化； ②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃； ③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度； ④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇； ⑤易加工成

20、復雜的形狀，可大批量生產； ⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。 （3） 熱敏電阻工作原理及特性 熱敏電阻將長期處于不動作狀態(tài)；當環(huán)境溫度和電流處于c區(qū)時，熱敏電阻的散熱功率與發(fā)熱功率接近，因而可能動作也可能不動作。熱敏電阻在環(huán)境溫度相同時，動作時間隨著電流的增加而急劇縮短；熱敏電阻在環(huán)境溫度相對較高時具有更短的動作時間和較小的維持電流及動作電流。 1、ptc效應是一種材料具有ptc(positive temperature coefficient）效應，即正溫度系數(shù)效應，僅指此材料的電阻會隨溫度的升高而增加。如大多數(shù)金屬材料都具有ptc效應。在這些材料中，ptc效應表現(xiàn)為電阻隨溫度增加而線性增加

21、，這就是通常所說的線性ptc效應。 2、非線性ptc效應 經(jīng)過相變的材料會呈現(xiàn)出電阻沿狹窄溫度范圍內急劇增加幾個至十幾個數(shù)量級的現(xiàn)象，即非線性ptc效應，相當多種類型的導電聚合體會呈現(xiàn)出這種效應，如高分子ptc熱敏電阻。這些導電聚合體對于制造過電流保護裝置來說非常有用。 3、高分子ptc熱敏電阻用于過流保護 高分子ptc熱敏電阻又經(jīng)常被人們稱為自恢復保險絲（下面簡稱為熱敏電阻），由于具有獨特的正溫度系數(shù)電阻特性，因而極為適合用作過流保護器件。熱敏電阻的使用方法象普通保險絲一樣，是串聯(lián)在電路中使用。 當電路正常工作時，熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小，串聯(lián)在電路中不會阻礙電流通過；而當電路

22、因故障而出現(xiàn)過電流時，熱敏電阻由于發(fā)熱功率增加導致溫度上升，當溫度超過開關溫度（ts，見圖1）時，電阻瞬間會劇增，回路中的電流迅速減小到安全值.為熱敏電阻對交流電路保護過程中電流的變化示意圖。熱敏電阻動作后，電路中電流有了大幅度的降低，圖中t為熱敏電阻的動作時間。由于高分子ptc熱敏電阻的可設計性好，可通過改變自身的開關溫度（ts）來調節(jié)其對溫度的敏感程度，因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用，如kt16－1700dl規(guī)格熱敏電阻由于動作溫度很低，因而適用于鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過溫保護。環(huán)境溫度對高分子ptc熱敏電阻的影響 高分子ptc熱敏電阻是一種直熱式、階躍型熱敏電阻，其電阻變

23、化過程與自身的發(fā)熱和散熱情況有關，因而其維持電流（ihold）、動作電流（itrip）及動作時間受環(huán)境溫度影響。當環(huán)境溫度和電流處于a區(qū)時，熱敏電阻發(fā)熱功率大于散熱功率而會動作；當環(huán)境溫度和電流處于b區(qū)時發(fā)熱功率小于散熱功率，高分子PTC熱敏電阻由于電阻可恢復，因而可以重復多次使用。 熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用下式表示： R=R0exp{B（1/T-1/T0)}：R：溫度T(K）時的電阻值、Ro：溫度T0、（K）時的電阻值、B:B值、*T(K)=t(ºC)+273.15。實際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構成而異，最大甚至可達5K/C。因此在較大的溫度范

24、圍內應用式1時，將與實測值之間存在一定誤差。此處，若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數(shù)計算時，則可降低與實測值之間的誤差，可認為近似相等。 （4） 熱敏電阻分類 1、NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關系減小、具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料．該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態(tài)不同而變化．現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧

25、化物系NTC熱敏電阻材料． NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為： Rt = RT *EXP(Bn*（1/T-1/T0) 式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數(shù)．陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導體特性決定的． NTC熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的階段．1834年，科學家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負溫度系數(shù)的特性．1930年，科學家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數(shù)的性能，并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中．隨后，由于晶體管技術的不斷發(fā)展，熱敏電阻器的研究取得重大進展．1960年研制出了N

26、1C熱敏電阻器．NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償?shù)确矫妫? 熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃，感溫時間可少至10s以下．它不僅適用于糧倉測溫儀，同時也可應用于食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量． 2、PTC（Positive Temperature CoeffiCient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器．該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化，常將這種半導體化的BaT

27、iO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料．其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化． 鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結構，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料．在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素，進行適當熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個數(shù)量級，產生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關．鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面．該半導瓷當達到某一特定溫度或電

28、壓，晶體粒界就發(fā)生變化，從而電阻急劇變化． 鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因于粒界（晶粒間界）．對于導電電子來說，晶粒間界面相當于一個勢壘．當溫度低時，由于鈦酸鋇內電場的作用，導致電子極容易越過勢壘，則電阻值較小．當溫度升高到居里點溫度（即臨界溫度）附近時，內電場受到破壞，它不能幫助導電電子越過勢壘．這相當于勢壘升高，電阻值突然增大，產生PTC效應．鈦酸鋇半導瓷的PTC效應的物理模型有海望表面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型，它們分別從不同方面對PTC效應作出了合理解釋． 實驗表明，在工作溫度范圍內，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示： RT=RT0 expB

29、p（T-T0） 熱敏電阻式中RT、RT0表示溫度為T、T0時電阻值，Bp為該種材料的材料常數(shù)． PTC效應起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質，并隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化．最近，進入實用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件，這是體型小且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構成，因其中的雜質產生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加． PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調節(jié)，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，利用本

30、身加熱作氣體分析和風速機等方面．下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”．電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用． 3、CTR熱敏電阻

31、 臨界溫度熱敏電阻CTR（CritiCal Temperature Resistor）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)．構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態(tài)熱敏電阻．驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變．這是由于不同雜質的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的．若在適當?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失．產生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產生半導體-金屬相移．CTR能夠作為控溫報警等應用． （5） 課題研究及分析

32、 熱敏電阻的理論研究和應用開發(fā)已取得了引人注目的成果．隨著高、精、尖科技的應用，對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索，以及對性能優(yōu)良的新材料的深入研究，將會取得迅速發(fā)展．本課題對電阻靈敏度要求較高，故選擇負反饋系數(shù)的熱敏電阻。 四、單片機接口電路 本部分是LD溫度控制系統(tǒng)的數(shù)字電路，也是控制器硬件的核心部分，主要設計微控制器及其外圍接口電路，包括信號的輸入、輸出通道及系統(tǒng)數(shù)字顯示電路。被控對象LD的溫度信號經(jīng)過傳感器及放大電路后，生成O～4V的模擬電壓信號。微控制器需要的是數(shù)字信號，本節(jié)將論述信號之間轉換、信號的顯示及數(shù)字控制器的硬件電路部分。 （1） 微控制器概述 單

33、片機，全稱單片微型計算機（英語：single-chip microcomputer），又稱微控制器（microcontroller），是把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器（timer/counter）、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強調自供應（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器；由于單芯片微計算機常用于當控制器故又名single chip microcontroll

34、er，但是目前在中國大陸仍多沿用“單片機”的稱呼。絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機都是基于馮諾伊曼結構的，這種結構清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計數(shù)器，還有用來與外圍設備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。 說單片機與通用型中央處理單元芯片不同，是因為前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作計算機。這樣就可以很容易的把單片機系統(tǒng)植入裝置內部來控制裝置了。近年來為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結構在單片機（Micro

35、controllers）和數(shù)字信號處理器也逐漸得到了廣泛的應用。 傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。它要完成單片機的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說，因為芯片上沒有數(shù)據(jù)存儲器，就必須要添加一些RAM的存儲芯片，雖然所添加存儲器的容量很靈活，但是至少還是要添加。另外還需要添加很多連線來傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。與以上的情況相比，單片機的工作則相對獨立，一個典型的單片機只需要一個時鐘發(fā)生器和很少的RAM和ROM（或者EPROM, E2PROM）就可以在軟件和晶振下工作了。同時，單片機具有豐富的輸入輸出設備，例如模擬數(shù)字轉換器、定時器、串口，以及其他串行通訊接口，比如I2C，串行周邊接口，控制器局域網(wǎng)

36、等。通常，這些集成在內部的設備可以通過特殊的指令來操作。 單片機時鐘頻率通常較同時代的計算機芯片低，但它價格低廉，能夠提供充足的程序存儲器、豐富的片上接口。某些架構的單片機生產廠商眾多，例如8051系列、Z80系列。一些現(xiàn)代的單片機支持一些內建的高級編程語言，比如BASIC語言、C語言、C++等。 根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，單片機又分為4位、8位、16位和32位單片機。4位單片機多用于冰箱、洗衣機、微波爐等家電控制中；8位、16位單片機主要用于一般的控制領域，一般不使用操作系統(tǒng)；32位用于網(wǎng)絡操作、多媒體處理等復雜處理的場合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。 單片機的種類很多，有PI

37、C系列、Motorola系列等，TI公司的MSP430 系列單片機的應用目前增長較快。各個系列的單片機各有所長，在處理 速度、穩(wěn)定性、I／O能力、功耗、功能齊全、價格等方面各有優(yōu)劣。這些 種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇提供了很大的余地。 （2） A/D與D/A轉換 隨著數(shù)字技術，特別是信息技術的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制。通信及檢測等領域，為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度。壓力。位移。圖像等),要使計算機或數(shù)字儀表能識別。處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析。處理

38、后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執(zhí)行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路-模數(shù)和數(shù)模轉換器。 將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器(簡稱a/d轉換器或adc,analog to digital converter)；將數(shù)字信號轉換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉換器(簡稱d/a轉換器或dac,digital to analog converter)；a/d轉換器和d/a轉換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺的組成部分，為確保系統(tǒng)處理結果的精確度，a/d轉換器和d/a轉換器必須具有足夠的轉換精度；如果要實現(xiàn)快速變化信號的實時控制與檢測，a/d與d

39、/a轉換器還要求具有較高的轉換速度。轉換精度與轉換速度是衡量a/d與d/a轉換器的重要技術指標。隨著集成技術的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產出許多單片的和混合集成型的a/d和d/a轉換器，它們具有愈來愈先進的技術指標。 （3） 系統(tǒng)顯示電路 本系統(tǒng)LD溫度數(shù)據(jù)顯示采用專用數(shù)碼管顯示芯片MAX7219，使用方便且硬件連線簡單，不占用數(shù)據(jù)存儲空間，不用單片機動態(tài)掃描，只需將要顯示的數(shù)字量串行送至相應的數(shù)字存儲器即可自動掃描及自動顯示，縮短了本溫度控制系統(tǒng)的采樣周期。 5、 PID數(shù)字算法 在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又

40、稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信

41、號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到接近于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進

42、入穩(wěn)態(tài)后幾乎無穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值

43、，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在 調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 模擬PID控制算法主要用于模擬控制系統(tǒng)。 模擬系統(tǒng)過程控制為被測參數(shù)（模擬量：溫度、壓力、流量）由傳感器變換成統(tǒng)一的標準信號后輸入調節(jié)器，在調節(jié)器中與給定值進行比較，再把比較后的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構，改變進給量，以達到自動調節(jié)的目的。 數(shù)字PID控制算法用于數(shù)字控制系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)過程控制先把過程參數(shù)進行采樣，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量通過計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結果經(jīng)D/A轉換成模擬量后，由

44、模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構去控制生產，以達到給定值。 1、在模擬調節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達式為： 式中： y(t) — 調節(jié)器的輸出信號 e(t) — 調節(jié)器的偏差信號（它等于給定值與測量值之差） KP — 調節(jié)器的比例系數(shù) TI — 調節(jié)器的積分時間 TD — 調節(jié)器的微分時間 2、離散化后的PID控制算法的表達式 ①積分項和微分項用求和及增量式表示 ②離散的PID表達式 位置型PID控制算法： 式中：△t=T — 采樣周期 e(n) — 第n次采樣時的偏差 e(n-1)

45、 — 第n-1次采樣時的偏差 n — 采樣序號 增量型PID控制算法： 式中： 對于本課題LD溫控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)控制與下面4點有關：(1)LD的測量值與設定值之間的偏差；(2)每次檢測后偏差的變化；(3)偏差變化的速率；(4)控制器的輸出量。系統(tǒng)控制是根據(jù)檢測LD溫度的偏差、偏差變化趨勢、偏差變化速率等綜合因素決定控制的輸出變化。由于LD溫度變化是緩慢的，而且制約LD溫度變化的因素較多(LD溫度的數(shù)學模型的不確定性)，最終會使LD溫度控制有很大的差異，即LD溫度值的變化是一個在一定區(qū)域內振蕩的復雜變化，在控制精度較高的情況下，使用單一的控制方法已難以達

46、到。為達到本溫控系統(tǒng)的要求LD溫度控制范圍10℃一40℃，溫度控制精度0．2℃ 由于本溫控系統(tǒng)要求在IO 6C～40C之間進行控制，并達到優(yōu)于0．2℃的控溫精度，控溫點比較多，因此我們以室溫為中心把10"C～40"C分6個模糊溫度區(qū)間，每段具體溫度區(qū)間隨室溫而變。6個溫度區(qū)間的具體計算如下： K1=(T一10)／3 (1) K2=(40一T)／3 (2) 式中T為室溫，Kl，K2為分割點，lO℃與40℃為溫度控制范圍兩端點。則六個溫度區(qū)間如下：(10，10+K1)、(IO+KI，10+2*K1)、(10+2*K1，T)、(T，T+K2)、(T+K2，T+2*K2)、(T+2

47、*K2，40)，這樣總的溫控區(qū)間就細分為6個模糊溫控區(qū)間，在每個溫控區(qū)間內，就可用數(shù)字P11)控制算法。由式 （3） （4） （5） 就可得到LD溫度控制系統(tǒng)的P、I、D參數(shù) （正文部分：宋體，小四號字，標題需加黑，段落首行空2隔，行距用固定值：23磅。論文其他部分的行距也采用固定值：23磅） 采用中文標題：一級：一、 二級：（一） 三級：1. 四級：（1） 五級：① 注釋（小四，宋體，加黑） ① 林崇德,羅良．建設創(chuàng)新型國家與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[J]．北京師范大學學報, 2007，13（4）：55．

48、 （五號，宋體，英文字符用Times New Roman字，具體到引用頁碼） （2007，13（4）：55 表示：2007年第13卷第4期，55頁） （M表示專著，J表示期刊文章，D表示學位論文，N表示報紙文章，C表示論文集，R表示研究報告，A表示析出文獻。） …… 參考文獻（小四，宋體，加黑） [1] 毛亞慶.從兩級到中介——科學主義教育和人本主義教育方法論研究[M].北京師范大學出版社, 1999：35. （五號，宋體，英文字符用Times New Roman字，具體到引用頁碼） [2] 揚壽堪等著.20世紀西方哲學科學主義與人本主義[M].北京師范大學出版社, 2003:66. [5] 楊韶剛.人本心理學的教育取向及其啟示[J].外國教育研究, 1995，4:56. [6] 黨樂群.試說人本主義教育理論[J].云南師范大學學報,1997,13（2）：12. …… （注釋和參考文獻分開寫。注釋對應文中的標注使用①，②……，參考文獻對應文中的標注使用[1][2]……，文中的標注全部采用上標，即① [1]） 15