王赟

(太原市电子研究设计院，山西 太原 030002)

论文基于STC12C5A60S2单片机开发的一种数字式的反馈系统,设计了I2C总线电路模块、显示模块、加热/制冷驱动模块三个硬件模块。同时，使用汇编语言编写了相应的脉宽调制（简称“PWM”）的控制算法，最终使雪崩光电二极管（简称“APD”）温度控制在一个恒定的范围内,满足了基于喇曼散射的煤矿分布式光纤测温系统对APD增益稳定的要求。

单片机；温度传感器；脉宽调制；恒温控制

一、研究的意义

分布式光纤温度传感器系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统，能实现分布式测量、准确测量和实时测量。由于系统具有本安性和抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰及其测温点的连续性和实时性、测量的准确性、分布区域的广泛性等优点，将此项技术应用到井下火灾预警具有广阔的应用前景。

二、采用雪崩光电二极管APD控温的必要性

在研究煤矿井下基于喇曼散射的分布式光纤测温系统过程中，发现喇曼信号极微弱，几乎淹没在强噪声中。一般的光电探测器是无法接收这样的信号的,由于APD的量子效率高,具有内部增益,可将信号倍增上百倍,而倍增后的噪声仅与放大器自身噪声水平相当,从而大大提高了探测系统的信噪比，但通过实验探测喇曼散射光这类强度型信号时，发现APD增益的漂移将引起测量精度的恶化,甚至造成APD破损及系统瘫痪,因而APD增益的稳定在整个探测系统中至关重要。

三、系统基本原理

图1温度控制系统机构图

论文设计了一种智能化的数字式反馈恒温系统。温度传感器和单片机构成输入通道，用于采集温度信号。由单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后调整占空比调节温度，同时把当前温度传输到计算机和电路板的数码管上。

四、单片机系统主要功能模块的电路设计

（一）I2C总线数据传输模块

I2C总线只用两根地址线就可最多串联四个组件，接口直接与组件相连，大大减少了I2C总线的占用空间，降低了芯片管脚的使用数量，使数据传输更加有效和简单，在保证传输的准确性不变的情况下，节约了连接成本。该系统中ADT7410温度传感器的控制经由I2C兼容串行接口实现，ADT7410作为从器件连接至总线，受单片机控制。

（二）显示模块

该系统中温度显示采用的是“8”字形的七段数码管显示。当单片机向控制a-g七段及小数点dp的8条地址线输出高电平(“1”)时，数码管被点亮，片选信号为低电平有效，要求向哪个数码管输出数据时，哪个数码管被选为低电平，其他三个输出高电平(“1”)。

（三）加热/制冷驱动电路

该温控系统的加热制冷部分采用半导体制冷片来实现。低电频驱动半导体制冷片进行加热，高电频实现制冷，以上两路信号不会同时输出。经驱动12C带常开常闭双触点的继电器，控制并切换加在半导体制冷片上的工作电压极性，实现加热和制冷。

（四）恒温系统的构成

使元件温度保持稳定的一种方法是把元件封闭在固定温度的恒温槽内。最外层是一个黑色铝制盒体，内部是一个银色盒体，内外盒体之间使用石棉保温材料填充，光电探测系统放置在内部盒体中，用螺丝固定在盒体底板上，并用上盖覆盖，左右挡板固定。一路温度传感器放置在内盒之中以检测光电探测子系统运行环境温度，通过I2C总线传输至温度控制系统进行温度控制调节。另一路传感器检测整个系统运行的环境温度，并与内部温度进行比较运算，调节盒体内部温度使之保持在一个恒定的范围之内。

五、PWM恒温控制算法

温度控制算法的核心是脉冲宽度调制(PWM)控制。单片机STC12C5A60S2芯片内部包含有PWM控制器，通过调整单片机控制输出来调整制冷或加热的占空比，即在输出的PWM中调整输出电频保持的时间，从而有效抑制过充现象。采用PWM控制代替传统的模拟控制有两方面的考虑：第一是省略了数字与模拟之间的转换，从单片机到ADT7410温度传感器整个过程中的电频信号都是数字的，节约了硬件成本，简化了软件的编程；第二是作为数字形式的电频信号可以有效地克服噪声带来的影响。噪声要想对数字信号产生影响，只有噪声强度达到足以将逻辑0改变为逻辑1时或逻辑1改变为逻辑0时才能起作用。

在研究井下分布式光纤测温系统时，发现APD的温度特性严重影响了测温的稳定性和准确性，甚至会造成APD的破损及系统瘫痪。为了解决这个问题论文设计了一个APD恒温控制系统，即通过软件与硬件的相互结合，实现了APD的增益补偿。实践证明，该系统的应用大大提高了APD的增益稳定性，增强了系统对环境温度的适应能力。

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