基于AVR單片機控制的半導體激光電源

摘 要：激光電源系統以ATmega16為微控制器，基本功能有：查詢、顯示、穩光、恒溫。半導體激光器激光輸出功率受外界溫度變化的影響極其嚴重，最大缺點就是易損壞。因此制作一款半導體激光器的同時，也應設計出配套的性能可靠的激光電源。本系統設計精巧、使用安全、整機性能可靠，可在同類型激光器的控制及發光二極管的控制中推廣使用。

關鍵詞：激光器 單片機 電源 控制

中圖分類號：TN248.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0001-01

驅動電源的性能對半導體激光器起到非常大的影響，瞬時電流或者電壓突變等許多原因都可破壞激光器。電流、溫度的劇烈變化會使輸出光功率突變，影響輸出的精確、穩定。基于單片機的智能化控制，對于解決半導體激光器工作的準確性、穩定性和可靠性的問題起到了極大改善作用。現介紹一種由單片機控制的激光器電源，該系統具有廣大的實際使用前景。

1 系統構造

系統的整體結構見圖1。組成模塊包括：電源管理模塊，控制單元模塊、溫度控制模塊、驅動模塊等。因為半導體激光器對驅動電源的特殊要求，電源的設計需非常完善。電源部分由功率驅動路、使能電路、電流負反饋電路、取樣放大路、恒流源電路、限流保護電路等組成。控制部分主要包括溫度和光功率控制，可使半導體激光器輸出更加準確、穩定和可靠。

2 激光電源的設計

2.1 電流源的驅動

電源自身的紋波對輸出電流影響非常大，電源電壓部分中應使用效果良好的穩壓電路和濾波電路，確保電源電壓有很低的噪聲與干擾紋波和非常高的穩定度，采用恒定電流源電路抑制浪涌電流。監測單元的作用：當工作時電流突變或高壓瞬間沖擊時做出快速響應，同時將中斷請求送給單片機系統，MCU便將輸出電流調低至零，這樣實現過電流保護的作用。

2.2 光功率反饋控制

設計一個閉環的反饋系統來確保激光器輸出光功率的穩定性。在激光器后端面安放一個光電二極管，對輸出光功率進行采樣，首先將其轉換成監測電流，然后通過電流與電壓的轉換電路將其轉成電壓信號，調節控制信號的幅值來調整輸出電流，最終達到對半導體激光器輸出光功率的恒定控制。

2.3 恒定溫度控制

半導體激光器對溫度非常敏感，溫度的升高，閥值電流提升，促使輸出光功率降低，波長變大。溫度的升高還會造成LD內部產生缺陷，還可導致影響壽命。PN結溫度的上升主要原因是因為輸入的電能所產生的熱消耗，因此需要調控激光器的結溫，使輸出的光功率和工作波長穩定。

利用溫度傳感器對半導體激光器的溫度值進行采樣，獲取實際溫度值，然后與鍵盤預先設定的基準溫度值比較，同時進入PID算法控制模塊，經過算法處理，得到穩定的溫度值，最過將穩定的輸出數字控制量經過D/A轉換，把得到的模擬信號量發送給半導體制冷器，從而達到對半導體激光器的溫度自動控制目的。

2.4 顯示界面

系統使用LCD12864顯示輸出頻率、輸出脈寬、輸出脈沖數。在待機時，顯示當前系統的頻率、脈寬、輸出脈沖數值；當系統處于預置狀態時，界面顯示圖標閃爍，如果此時有增加、減少鍵按下時，將增減相應的數值。

2.5 鍵盤控制

鍵盤有五個按鍵，設置為開始/停止、波形的選擇、功率設置、增加、減少。可預置功率、頻率、脈寬的值。按鍵優先級從高至低依次為啟動/停止、波形選擇、功率設置、增加、減少。通電時，波形選擇、功率預置、增加、減少鍵有效。當增、減按鍵被連續按下時，增加、減少的速度會自動變快，使系統可以快速的實現要求功能。

2.6 硬件方案設計

系統主要硬件設計有光功率控制和溫度控制電路，可以更有效地解決半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性問題。硬件結構如圖2。光功率和溫度采樣模擬信號經放大后由A/D轉換為數字信號，送入MCU進行運算處理，反饋控制信號經D/A轉換后再分別送給激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環控制。

3 結語

本文應用AVR單片機對激光電源進行智能化控制，介紹了智能控制系統的硬件結構和工作原理。應用開關電源和微控制器的解決方案，使激光電源具有智能化程度高、體積小、保護完備和使用方便等優點，同具備與電腦或其它智能儀器通信等功能。經過測試，系統性能穩定，完全達到科研機構對激光電源性能指標要求。

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