高精度激光器温度检测系统的设计

励恒流源， 确保自发热误差小于电路测量和系统 要求精度是很必要的。NTC 耗散系数 δ 的计算式 为：
U TH ˑ I TH δ= Tb － Ta
式中
I TH — — —流经 NTC 的电流； Ta — — —环境温度； Tb — — —实际稳定温度； U TH — — —端电压。
等， 使之与 AD7793 的时序相匹配
图3Biblioteka 通信流程= 0． 001ħ
该温升远小于激光器允许的温度波动范围和 检测系统的测量精度， 满足设计要求。 NTC 阻值 与温度 呈 非 线 性 反 比 例 关 系， 且 满 足 Steinhart［7 ］ Hart 方程 ：
1 / T = C1 + C2 ˑ lgＲ + C3 ˑ lg（ Ｒ）
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考虑到 DSP 的移位寄存器只有 16 位储存空 间， 无法满 足 对 24 位 AD 转 换 数 据 的 一 次 性 存 储， 因此将存储模式设置为 8 位 SPI 通信字长， 分 3 次完成对一个 AD 转换数据的储存。 如图 4 所 示， 经过配置后的 DSP 处理器可实现与 AD7793 的正常 SPI 通信。 2． 2 液晶驱动 液晶显示作为系统的输出模块， 要求系统具 有较高的同步性和实时性， 实现对检测数据的直 观展示。 选用 OCMJ8X15D 字符型液晶显示屏， 通过 DSP 的 GPIO 引脚完成驱动显示， 数据通信 通过 8 位 I / O 口并行传输。根据液晶显示器的时 序要求设计了定时器周期中断时间， 传输到 DSP 中的数据经过滤波、 换算等数字处理后转化为所
近年来， 高精度温度测控技术在工业、 科学研 究及农业等领域得到了广泛应用 。然而以激光器 为主要组成的有害气体检测系统， 对温度检测精 度提出了更高要求。 根据朗伯 － 比尔定律， 在有 害气体检测过程中， 需通过调节激光器的中心波 长， 使之与待测气体的吸收峰相匹配 ， 再根据对光 的吸收程度计算有害气体浓度。半导体激光器的 中心波长与工作电流和环境温度有关， 保持工作 电流不变， 其输出波长随温度变化的范围为0． 3 ［1 0． 4nm / ħ ］。因此， 为了确保激光器正常工作， 输 出稳定的中心波长 ， 环境温 度 波 动 范 围 需 控
［10 ］
。
本系统选用的 NTC 耗散系数为 2mW / ħ ， 如 果采用 210 μA 激励恒流源， 由 NTC 温度阻抗特性 可知， 其最大阻值为 20kΩ， 则最高自加热温升为：
Tb － Ta = U TH ˑ I TH 210 ˑ 10 － 6 ˑ 2 ˑ 10 4 ˑ 210 ˑ 10 － 6 = δ 2 ˑ 10 － 3
= 0． 441ħ
若采用 210 μA 激励恒流源， 将严重影 因此， 响系统 的 测 量 精 度。 当 采 用 10 μA 激 励 恒 流 源 时， 其最高自加热温升为：
Tb － Ta = U TH ˑ I TH 10 ˑ 10 － 6 ˑ 2 ˑ 10 4 ˑ 10 ˑ 10 － 6 = δ 2 ˑ 10 － 3
实现数据串行同步通信 。以 TMS320F2812 为核心处理器， 对采集数据进行快速数字滤波处理并将数据 转换为温度值进行液晶显示 。实验结果表明： 高精度激光器温度检测系统能够实现对环境温度的实时 检测， 温度检测精度在 0． 2% 以内。 关键词 高精度激光器温度检测系统 TH862 文献标识码 AD7793 A 热敏电阻 文章编号 TMS320F2812 SPI 通信 有害气体检测 中图分类号 10003932 （ 2016 ） 11116904
制在 ʃ 0． 05ħ 以 内， 以实现精确的气体浓度检 ［2 ］ 测 。高精度温度检测是实现激光器环境温度控 制的前提， 为此， 笔者设计了一个高精度激光器温 度检测系统， 通过 AD7793 温度采集电路提高环 境温度检测精确度， 使 ＲTD 压降与 AD 参考电压 同步变化， 避免因激励恒流源波动造成的测量误
第 11 期
刘松斌等． 高精度激光器温度检测系统的设计
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高精度激光器温度检测系统的设计
刘松斌
1
王梦谦
1
周长青
2
（ 1． 东北石油大学电气信息工程学院 ， 黑龙江 大庆 163318 ； 2． 大庆市第一采油厂电力维修大队， 黑龙江 大庆 163318 ）
摘
要
设计了一个以 AD7793 芯片和热敏电阻为核心的高精度温度采集电路 ， 检测结果通过 SPI 接口
温度采集电路负责对激光器环境温度进行高 精度数据采集， 然后将采集的数据输入到 DSP， 经 PID 算法处理后输出给 TEC 驱动电路， 完成加热 或制冷操作， 实现对激光器的温度控制。 AD7793 温度采集电路如图 2 所示。 AD7793 芯片采用 ΣΔ 型数据采集调制技术， 具有分辨率 高、 功耗低和噪声低的特点， 广泛应用于具有高精 度检测要求的系统中。 该芯片集成了 24 位数据 调制器、 缓冲器、 恒流源及片内数字滤波器等， 具 ［5 ］ 有较高的集成度 ； 外设 3 个差分模拟输入通道， 可避免因温度漂移对 AD 转换结果造成的影响；
进行 温 度 检 测， 其 典 型 工 作 温 度 范 围 是 15 40ħ ， 阻值 Ｒ 随着温度的增加迅速降低， 具有较 高的温度灵敏度 。 在实际应用中， NTC 会由于 电流值的大小产生不同程度的自发热现象 ， 从而 导致环境温度的检测误差 。 因此 ， 选择适当的激
①
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0405 （ 修改稿） 收稿日期： 2016-
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化 工 自 动 化 及 仪 表
第 43 卷
图2
AD7793 温度采集电路 调试及运行结果分析等操作。 2． 1 SPI 数据通信 四线制 SPI 接口通过 DSP 灵活控制和配置 AD7793 片内寄存器， 实现采集数据的快速同步串
［9 ］ 行通信 ， 流程如图 3 所示。 DSP 需进行基本的 SPI 初 始 化 配 置， 设 置 合 适 的 波 特 率、 时钟模式
［3 ］ 差 。 1 系统硬件部分①
高精度激光器温度检测系统（ 图 1 ） 是一个闭 环反馈系统， 主要包括数据采样模块、 以 DSP 为 ［4 ］ 核心的控制模块、 执行模块及被控对象等机构 。
图1 1． 1 温度采集电路
高精度激光器温度检测系统框图 具有自校准、 系统校准功能， 可消除零点误差和满 量程误差； SPI 串行通信接口可实现与控制器的 灵活数据通信。 1． 2 激励恒流源 系统采用 10kΩ 负温度系数热敏电阻 （ NTC ）