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氢钟智能温度控制及CAT控制电压自动补偿系统设计

作　者: 鲁华雨
导　师: 彭纪兴
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天文技术与方法
关键词: 热敏电阻温度控制加热电压二极管电压寄存器硬件设计氢钟系统软件设计微控制器控制器设计
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

针对当前氢钟温度控制系统所存在的不足，本文提出了全新的设计思路：综合三路谐振腔(内层)温度控制在一个系统中，用一块电路板实现所有的温度控制任务，用微控制器代替原有的模拟控制电路。电路体积大大缩小，同时温度控制系统的可操作性也得到了提高。考虑到氢钟腔体自动调谐(Cavity Auto Tuning)变容二极管电压(Voltage of Diode)受到微波腔长期漂移的影响，有可能超出正常控制范围，这将直接影响氢钟频率稳定度和频率漂移率性能指标。所以结合温度控制系统，我们研究和设计了Vdio自动补偿系统。系统硬件设计以32位ARM处理器为核心。由于芯片本身是个片上系统(System on Chip)，所以不仅功能强大，还大大简化了系统的板级设计。软件设计引入了实时操作系统内核UCOS-Ⅱ(Micro Controller Operation System)。软硬件相结合，使系统很好得实现监控任务。论文首先在绪论给出了设计需要实现的目标。紧接着在第二章，详细的进行了需求分析，提出了相关的硬件设计。第三章是相关的软件设计，以及在软件设计当中应当注意的事项。第四章是控制器设计，温度控制器的设计最终要用软件实现，所以，第三章和第四章联系紧密。第五章给出了系统测试的步骤和方法，并列出了温度控制的结果。从结果来看，温度控制精度＜±0.001℃，系统设计达到预期的目标。第六章是小结部分，给出了设计当中存在的一些不足，同时提出一些课题延伸的想法，为设计的进一步拓展打下良好的基础。

全文目录

第一章绪论  8-14
  §1.1 当今氢原子频标的发展状况  8-10
  §1.2 本文研究内容与目标  10-14
第二章系统需求分析与硬件设计  14-37
  §2.1 系统需求分析  14
  §2.2 系统硬件设计  14-31
    §2.2.1 系统控制器选择  15-17
    §2.2.2 主AD转换器的选择(用于温度采集)  17-19
    §2.2.3 温度传感器的选择  19-22
    §2.2.4 测温电路的构造  22-24
    §2.2.5 电源设计  24-25
    §2.2.6 控制器的外围电路设计  25-31
      §2.2.6.1 晶体振荡器  25-26
      §2.2.6.2 复位电路  26
      §2.2.6.3 RS232接口电路  26
      §2.2.6.4 变容二极管电压调节电路  26-27
      §2.2.6.5 AD7714电路  27
      §2.2.6.6 PWM输出电路  27-29
      §2.2.6.7 AD7714电路  29-31
  §2.3 电路的制作与调试  31-37
    §2.3.1 PCB制作前的准备工作  31-32
    §2.3.2 布局  32-33
    §2.3.3 布线  33-35
    §2.3.4 PCB设计的检查  35
    §2.3.5 器件的安装与系统调试  35-37
第三章系统软件设计  37-53
  §3.1 系统功能测试  37-43
    §3.1.1 片内外设：10bit ADC  37-39
    §3.1.2 片外外设：AD7714  39-43
  §3.2 程序结构  43-47
    §3.2.1 μC／OS-Ⅱ简介  44-45
    §3.2.2 软件结构  45-47
      §3.2.2.1 任务调度  46-47
      §3.2.2.2 任务间通信  47
  §3.3 应用程序设计  47-53
    §3.3.1 温度控制任务  47-50
    §3.3.2 CAT温度补偿任务  50-53
第四章控制器设计  53-60
  §4.1 控制器设计要求  53
  §4.2 PID控制的原理和特点  53-54
    §4.2.1 比例(P)控制  54
    §4.2.2 积分(I)控制  54
    §4.2.3 微分(D)控制  54
  §4.3 数字PID  54-57
  §4.4 参数整定  57-60
    §4.3.1 采样周期T的确定  57
    §4.3.2 控制规律的确定  57-60
第五章系统测试与分析  60-69
  §5.1 综合测试  60
  §5.2 参数调整  60-61
  §5.3 测试结果与分析  61-69
第六章小结  69-74
  §6.1 系统误差分析  69-71
    §6.1.1 测温电路的误差  69-70
    §6.1.2 输入数据处理过程中出现的误差  70
    §6.1.3 输出电路的误差  70-71
  §6.2 课题改进与拓展  71-74
    §6.2.1 更合理的电路板设计  71
    §6.2.2 电路功能扩展  71-74
附录A 电路原理图  74-76
附录B 部分程序清单  76-81
参考文献  81-82

氢钟智能温度控制及CAT控制电压自动补偿系统设计

内容摘要

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