一种用于图像传感器测试的热电制冷恒温控制装置的研究

摘要

随着科技的不断进步，半导体行业的飞速发展，图像传感器的更新换代速度也越来越快，高集成度、高感光度、高分辨率、高帧频的图像传感器不断的被研发出来。图像传感器的应用也越来越广泛，在空间探测、医疗仪器、移动通信设备等领域有着广泛的应用。特别是在一些高端应用方面，如军事和航天领域，在使用图像传感器之前需要对传感器参数进行从新测试，以便判断图像传感器的性能好坏。在图像传感器测试时，图像传感器的参数会受到一些噪声的影响，特别是图像传感器自身的噪声，传感器自身噪声对传感器参数测试影响最大的是暗电流，减小暗电流的最为有效的方法是降低图像传感器的工作温度。
　　本文研究了一种用于图像传感器测试的热电制冷恒温控制装置，该装置结合热电制冷器和抗积分饱和PID控制算法，以ARM内核的STM32F103VBT6微控制器作为主控芯片，利用PT100作为温度传感器采集图像传感器的温度信息，利用脉冲宽度调制(PWM)技术控制热电制冷器的制冷能力，利用水冷散热装置散发热电制冷器发出的热量，实现对实验装置制冷温度的控制。
　　本文首先论述了暗电流对图像传感器成像造成的影响，提出了利用制冷的方法抑制暗电流的大小。接着介绍了热电制冷器的制冷原理和几种散热冷却方式，并以此设计了热电制冷水冷散热系统。然后设计了温湿度数据的采集和控制硬件电路，硬件电路主要包括:基于STM32F103VBT6中央微控制器电路、基于PT100的温度数据采集电路、基于HS1101湿度数据采集电路、基于PWM信号的恒温控制电路、CAN总线电路和LCD12864显示电路等。接着对热电制冷恒温控制装置的软件程序做出了设计，软件程序的设计主要包括温湿度数据的采集与处理、抗积分饱和PID控制算法的编写，然后编写了控制装置的主程序和各部分子程序。然后对装置的硬件电路做了调试，完成了装置的集成。通过实验表明，该试验装置的最低制冷温度可达-35℃，稳定的制冷温度控制范围为-30℃～5℃，制冷温度稳定度为±0.5℃，均能满足对实验装置提出的要求。最后在常温(23℃)和-30℃环境下测试了一款CCD图像传感器的暗电流，该CCD图像传感器的暗电流的均值在-30℃环境下比常温(23℃)环境下降低了132倍，方差减小了13倍。该CCD图像传感器的其他参数也得到了改善。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1热电制冷恒温控制技术的研究背景

1．2热电制冷技术应用于图像传感器的发展现状

1．2．1国外发展现状

1．2．2国内发展现状

1．3课题研究意义

1．4课题研究内容

第2章热电制冷技术

2．1热电制冷原理

2．2热电制冷器热量转移分析与型号选取

2．3热电制冷散热系统设计

2．3．1散热冷却方式介绍

2．3．2热电制冷水冷散热系统设计

2．4本章小结

第3章热电制冷恒温控制装置的硬件电路设计

3．1控制系统硬件电路总体框架

3．2中央微控制器电路设计

3．2．1 STM32F103VBT6微控制器电路

3．2．2复位电路

3．2．3时钟电路

3．2．4基准电压电路

3．3温度数据采集电路设计

3．4湿度数据采集和除湿电路设计

3．4．1湿度数据采集电路

3．4．2除湿电路

3．5恒温控制电路设计

3．6 CAN总线电路设计

3．7其他电路设计

3．7．1电压转换电路

3．7．2 LCD12864显示器电路

3．7．3旋钮电路

3．7．4蜂鸣器电路

3．7．5按键电路

3．8控制系统PCB设计

3．9本章小结

第4章软件控制算法及程序设计

4．1数据的采集与处理

4．1．1温度数据的采集与处理

4．1．2湿度数据的采集与处理

4．2热电制冷控制算法

4．2．1 PID控制算法

4．2．2改进型PID控制算法

4．2．3热电制冷控制策略

4．3程序设计

4．3．1主程序

4．3．2温度数据采集子程序

4．3．3湿度数据采集子程序

4．3．4热电制冷控制子程序

4．4本章小结

第5章热电制冷恒温控制装置调试及实验

5．1热电制冷恒温控制装置的调试

5．1．1热电制冷恒温控制装置硬件电路调试

5．1．2 PID控制算法参数的整定

5．2图像传感器热电制冷装置集成设计

5．3热电制冷恒温控制装置制冷实验及分析

5．4本章小结

第6章CCD图像传感器暗电流测试及分析

6．1图像传感器测试环境介绍

6．2某型号CCD图像传感器暗电流测试流程

6．2．1准备工作

6．2．2常温测试

6．2．3-30℃测试

6．3测试结果及分析

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和取得的科研成果

致谢