煤礦分布式光纖測溫系統中APD的恒溫控制

王赟

(太原市電子研究設計院，山西 太原 030002)

論文基于STC12C5A60S2單片機開發的一種數字式的反饋系統,設計了I2C總線電路模塊、顯示模塊、加熱/制冷驅動模塊三個硬件模塊。同時，使用匯編語言編寫了相應的脈寬調制（簡稱“PWM”）的控制算法，最終使雪崩光電二極管（簡稱“APD”）溫度控制在一個恒定的范圍內,滿足了基于喇曼散射的煤礦分布式光纖測溫系統對APD增益穩定的要求。

單片機；溫度傳感器；脈寬調制；恒溫控制

一、研究的意義

分布式光纖溫度傳感器系統是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統，能實現分布式測量、準確測量和實時測量。由于系統具有本安性和抗腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾及其測溫點的連續性和實時性、測量的準確性、分布區域的廣泛性等優點，將此項技術應用到井下火災預警具有廣闊的應用前景。

二、采用雪崩光電二極管APD控溫的必要性

在研究煤礦井下基于喇曼散射的分布式光纖測溫系統過程中，發現喇曼信號極微弱，幾乎淹沒在強噪聲中。一般的光電探測器是無法接收這樣的信號的,由于APD的量子效率高,具有內部增益,可將信號倍增上百倍,而倍增后的噪聲僅與放大器自身噪聲水平相當,從而大大提高了探測系統的信噪比，但通過實驗探測喇曼散射光這類強度型信號時，發現APD增益的漂移將引起測量精度的惡化,甚至造成APD破損及系統癱瘓,因而APD增益的穩定在整個探測系統中至關重要。

三、系統基本原理

圖1溫度控制系統機構圖

論文設計了一種智能化的數字式反饋恒溫系統。溫度傳感器和單片機構成輸入通道，用于采集溫度信號。由單片機構成的數字控制器進行比較運算，經過比較后調整占空比調節溫度，同時把當前溫度傳輸到計算機和電路板的數碼管上。

四、單片機系統主要功能模塊的電路設計

（一）I2C總線數據傳輸模塊

I2C總線只用兩根地址線就可最多串聯四個組件，接口直接與組件相連，大大減少了I2C總線的占用空間，降低了芯片管腳的使用數量，使數據傳輸更加有效和簡單，在保證傳輸的準確性不變的情況下，節約了連接成本。該系統中ADT7410溫度傳感器的控制經由I2C兼容串行接口實現，ADT7410作為從器件連接至總線，受單片機控制。

（二）顯示模塊

該系統中溫度顯示采用的是“8”字形的七段數碼管顯示。當單片機向控制a-g七段及小數點dp的8條地址線輸出高電平(“1”)時，數碼管被點亮，片選信號為低電平有效，要求向哪個數碼管輸出數據時，哪個數碼管被選為低電平，其他三個輸出高電平(“1”)。

（三）加熱/制冷驅動電路

該溫控系統的加熱制冷部分采用半導體制冷片來實現。低電頻驅動半導體制冷片進行加熱，高電頻實現制冷，以上兩路信號不會同時輸出。經驅動12C帶常開常閉雙觸點的繼電器，控制并切換加在半導體制冷片上的工作電壓極性，實現加熱和制冷。

（四）恒溫系統的構成

使元件溫度保持穩定的一種方法是把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內。最外層是一個黑色鋁制盒體，內部是一個銀色盒體，內外盒體之間使用石棉保溫材料填充，光電探測系統放置在內部盒體中，用螺絲固定在盒體底板上，并用上蓋覆蓋，左右擋板固定。一路溫度傳感器放置在內盒之中以檢測光電探測子系統運行環境溫度，通過I2C總線傳輸至溫度控制系統進行溫度控制調節。另一路傳感器檢測整個系統運行的環境溫度，并與內部溫度進行比較運算，調節盒體內部溫度使之保持在一個恒定的范圍之內。

五、PWM恒溫控制算法

溫度控制算法的核心是脈沖寬度調制(PWM)控制。單片機STC12C5A60S2芯片內部包含有PWM控制器，通過調整單片機控制輸出來調整制冷或加熱的占空比，即在輸出的PWM中調整輸出電頻保持的時間，從而有效抑制過充現象。采用PWM控制代替傳統的模擬控制有兩方面的考慮：第一是省略了數字與模擬之間的轉換，從單片機到ADT7410溫度傳感器整個過程中的電頻信號都是數字的，節約了硬件成本，簡化了軟件的編程；第二是作為數字形式的電頻信號可以有效地克服噪聲帶來的影響。噪聲要想對數字信號產生影響，只有噪聲強度達到足以將邏輯0改變為邏輯1時或邏輯1改變為邏輯0時才能起作用。

在研究井下分布式光纖測溫系統時，發現APD的溫度特性嚴重影響了測溫的穩定性和準確性，甚至會造成APD的破損及系統癱瘓。為了解決這個問題論文設計了一個APD恒溫控制系統，即通過軟件與硬件的相互結合，實現了APD的增益補償。實踐證明，該系統的應用大大提高了APD的增益穩定性，增強了系統對環境溫度的適應能力。

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