天文卫星相机焦平面制冷系统的设计与实现

论文摘要

高性能天文观测相机CCD必须工作在-65℃的低温环境中，以抑制可见光CCD产生的暗电流噪声，因此为了保障天文观测相机的工作性能，必须对焦平面（FPA）进行独立制冷。为了满足空间天文相机焦平面制冷要求的体积小、重量轻、稳定性和可靠性好、精度高的工程应用需求，本文设计完成了一种基于热电制冷器（TEC）的焦平面制冷控制系统。该系统以80C32单片机为控制系统的核心处理器，利用安装于图像传感器背面的5个温度传感器及其采集电路获取焦平面的多点实时温度，然后系统以采集到的多点实时温度为参数，采用数字PID自适应控制算法计算得到控制量，通过该控制量调节TEC的驱动电流，从而实现对焦平面的独立制冷。本文首先讨论了高精度、高稳定性制冷对高性能天文观测相机焦平面工作性能的重要性，介绍了使用TEC进行制冷的原因；其次阐述TEC制冷的理论基础及工作原理，并讨论了TEC的工作状态及选取原则，分析了热负载制冷的模型；然后完成了制冷系统硬件控制电路的总体设计，并分别对温度采集模块、TEC驱动模块、通信模块和计算控制模块的电路进行了详细设计；在电路原理图设计完成后，根据布局、布线原则设计了系统的PCB，并完成了PCB的加工与调试；根据本系统的工作要求和边界条件，对系统的软件算法进行了分析和设计，并采用模块化的设计方法完成了以数字PID控制算法为核心的软件总体设计，同时对各模块进行了详细的设计、编码和调试；最后完成了整个制冷控制系统的软、硬件集成和调试。通过系统的实物模拟实验表明，该系统可以在焦平面温度梯度小于1℃的情况下，快速达到其正常工作温度-65℃，并保证其温度控制精度为±2℃，满足了天文观测相机焦平面的工作要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 CCD 制冷技术的重要作用
• 1.2 星载 CCD 制冷的要求及方法
• 1.3 TEC 制冷 CCD 的现状
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内发展现状
• 1.4 选题的意义及主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 TEC 制冷原理及焦平面热载制冷分析
• 2.1 热电效应
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 珀尔帖效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.1.4 焦耳效应
• 2.1.5 傅立叶效应
• 2.2 热电制冷的原理
• 2.3 热电制冷的工作状态分析
• 2.3.1 基本工作原理
• 2.3.2 最大制冷量工作状态
• 2.3.3 最佳制冷系数工作状态
• 2.3.4 制冷器工作状态的选择
• 2.4 焦平面热载制冷分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统的硬件电路研究
• 3.1 硬件电路系统总体设计
• 3.2 温度采集模块电路设计
• 3.2.1 多路采集电路设计
• 3.2.2 温度采集通道电路设计
• 3.2.3 模拟多路开关选择
• 3.2.4 A/D 转换电路设计
• 3.3 TEC 驱动模块电路设计
• 3.3.1 TEC 驱动输出电路设计
• 3.3.2 D/A 转换电路设计
• 3.4 通信模块电路设计
• 3.5 计算控制模块电路设计
• 3.6 硬件电路 PCB 板设计
• 3.7 硬件抗干扰设计
• 3.8 本章小结
• 第四章 系统控制算法的分析与设计
• 4.1 铂电阻校正算法分析
• 4.1.1 铂电阻特性分析
• 4.1.2 铂电阻的非线性校正
• 4.1.3 误差分析
• 4.2 PID 控制算法分析
• 4.2.1 PID 控制算法原理
• 4.2.2 数字 PID 控制算法
• 4.2.3 数字 PID 参数的选择
• 4.3 通信算法分析
• 4.3.1 RS-232 协议介绍
• 4.3.2 控制指令说明
• 4.3.3 波特率设置
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统的软件设计
• 5.1 软件系统的概要设计
• 5.2 主程序模块详细设计
• 5.3 温度采集模块详细设计
• 5.4 数据处理模块详细设计
• 5.5 PID 控制算法模块详细设计
• 5.6 通信模块详细设计
• 5.7 软件的容错与抗干扰能力
• 5.8 本章小结
• 第六章 系统调试与实验分析
• 6.1 制冷系统的调试
• 6.2 系统实验过程
• 6.3 本章小结
• 第七章 工作总结
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢