半導(dǎo)體激光器的精密溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的光電技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。現(xiàn)階段，激光器在我國(guó)的測(cè)量、國(guó)防以及醫(yī)療等眾多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)這也對(duì)激光器的輸出功率的波動(dòng)范圍以及輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定程度提出了更高的要求。本文便分析了一類大功率的半導(dǎo)體激光器的精密Fuzzy+PI溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，在半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行精密溫控的工作，不但振蕩幅度更小，并且控制的精度也更高。而基于傳統(tǒng)的PID控制器的基礎(chǔ)上，提高模糊控制規(guī)則的數(shù)量，這樣就能形成一個(gè)新的變積分系數(shù)的模糊PI控制器，要想提高其各項(xiàng)性能，就必須在線調(diào)整積分系數(shù)，同時(shí)也要改進(jìn)常規(guī)模糊控制設(shè)備的控制規(guī)則。

關(guān)鍵詞：激光二極管；半導(dǎo)體制冷器；精密溫控系統(tǒng)

1 半導(dǎo)體激光器的精密溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件保護(hù)

半導(dǎo)體制冷器是具備獨(dú)立的限流電路的，所以當(dāng)你進(jìn)行任何操作時(shí)，輸出電流都是在一定的范圍內(nèi)的。而當(dāng)超過這個(gè)極限時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警；另外為了保證溫控出現(xiàn)故障時(shí)或是系統(tǒng)過熱時(shí)半導(dǎo)體激光器的二極管仍然是處于安全狀態(tài)的，系統(tǒng)還會(huì)采用過熱保護(hù)電路。

1.2 軟件保護(hù)

通常軟件保護(hù)工作我們都采用一種新型的可編程芯片X25045，其是由電壓監(jiān)控系統(tǒng)、看門狗定時(shí)器以及EEPROM共同組成的，不但能夠即時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓情況，同時(shí)也可以避免程序走飛，當(dāng)系統(tǒng)遇到掉電的情況時(shí)，也能夠即時(shí)復(fù)位，這樣就不會(huì)因?yàn)殡娫锤蓴_波動(dòng)從而影響其正常的工作狀態(tài)。

通常情況下，傳感及傳輸部分、制冷及控制部分以及轉(zhuǎn)換部分三部分組成了半導(dǎo)體制冷的溫控系統(tǒng)，當(dāng)其正常工作時(shí)，溫度是會(huì)隨著工作時(shí)間的不斷增長(zhǎng)而逐漸上升的，當(dāng)溫度出現(xiàn)變化時(shí)，測(cè)溫傳感器會(huì)將其轉(zhuǎn)化為電阻變化，而在經(jīng)過雙絞線電流變送器時(shí)，會(huì)將其轉(zhuǎn)變成為電流信號(hào)并傳送到信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的位置處，一般情況下，信號(hào)轉(zhuǎn)換單位包括A/D轉(zhuǎn)換器和I/V電流電壓轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)也就是代表溫度的信號(hào)并傳送到單片機(jī)位置處，PTT算法會(huì)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過擴(kuò)展口信號(hào)也就起到了控制固態(tài)繼電器的作用，這樣不但保證了半導(dǎo)體激光器的溫度是不變的，同時(shí)也起到了控制制冷器的作用。

在選擇控制系統(tǒng)時(shí)建議采用89C52單片機(jī)系統(tǒng)，由于半導(dǎo)體激光器自身的溫度特點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行控制的過程中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的采用的速度要求并不是特別高，但是對(duì)其精度的要求卻是十分高的，另外執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻響也要很高，應(yīng)選擇雙積分性的A/D轉(zhuǎn)換器。由于薄膜鉑電阻傳感器具有精度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并且其也是通過半導(dǎo)體工藝制造而成的，因此溫度傳感器應(yīng)選擇此類傳感器。其工作原理也同樣為將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。所以，電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的過程的精度也就直接的影響了傳感器測(cè)溫工作的精度，再借助于電橋的方法將電阻的變化轉(zhuǎn)化成為電壓值的變化，為保證信號(hào)的傳輸和轉(zhuǎn)換，應(yīng)采用雙絞線電流發(fā)送器進(jìn)行操作，信號(hào)是以電流的形式進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換的，那么電壓漂移以及接地噪聲就不會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響，信號(hào)的傳輸精度也就得到了充分的保證。

數(shù)據(jù)采樣部分：利用恒流源是可以產(chǎn)生恒定電流的，當(dāng)恒定的電流被加熱到熱敏電阻上時(shí)，這時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器就會(huì)將熱敏電阻的兩端電壓采集到單片機(jī)內(nèi)同時(shí)還會(huì)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，借助于擬和算法電壓值就會(huì)被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電阻值了，同時(shí)也就得到了相應(yīng)的溫度值了。

數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動(dòng)部分：首先應(yīng)求出設(shè)定的溫度值與實(shí)際得到溫度值的差值，通過模糊PID這種計(jì)算方法能夠得出相應(yīng)的控制量，之后在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器就可以得到輸出模擬電壓了。PWM功率放大器會(huì)將這個(gè)模擬電壓放大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器也開始工作，這樣就起到了控制激光二極管溫度的作用了。而為了更好的控制半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)電流，控制MOSFET的H橋結(jié)構(gòu)電路時(shí)應(yīng)選擇數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)，利用D/A轉(zhuǎn)換器的輸出量來控制信號(hào)的占空比。

2 半導(dǎo)體激光器的精密溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 模糊+PI控制算法

在我們進(jìn)行溫度控制時(shí)，由于被控制的對(duì)象具有非線性、不確定性以及有時(shí)變的特點(diǎn)，要想滿足這類控制要求，僅僅使用常規(guī)的PID控制方法是不夠的，僅適用模糊算法又很難保證溫控的準(zhǔn)確性。因此我們應(yīng)采用兩者相結(jié)合的方法，如果是將兩者進(jìn)行串聯(lián)控制，切換的過程中就會(huì)出現(xiàn)高頻毛刺，兩種方法的控制參數(shù)就會(huì)很難確定，因此建議將兩者并聯(lián)控制，輸出的控制量公式為U=UPID+UF，再依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化情況是可以隨時(shí)調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)值的，不但保證溫控的精度，也提高了系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的適應(yīng)性。

而要想對(duì)常規(guī)的PI控制器的積分參數(shù)進(jìn)行模糊控制，就需要對(duì)其新增加一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)，這樣就形成了變積分參數(shù)的模糊PI控制器，它可以準(zhǔn)確的分析系統(tǒng)誤差值的變化情況，從而及時(shí)的調(diào)整積分常數(shù)以及常規(guī)的PI控制器，如果系統(tǒng)誤差的變化過大，那么積分參數(shù)就會(huì)是零，模糊控制也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制工作。而如果系統(tǒng)誤差的變化情況不大甚至是誤差為正時(shí)，系統(tǒng)的積分系數(shù)也會(huì)隨之增加，系統(tǒng)就會(huì)有模糊控制和PI控制共同控制，隨著系統(tǒng)參數(shù)的不斷變化，積分環(huán)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)中的權(quán)重也會(huì)被及時(shí)的調(diào)節(jié)，這樣此系統(tǒng)就既具有PI精確輸出的優(yōu)點(diǎn)，也具有模糊推理的快速和高效的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)響應(yīng)十分迅速并且還有很強(qiáng)的魯棒性。鑒于積分系數(shù)是會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化的，這樣就防止了在PID控制和模糊控制切換的過程中出現(xiàn)毛刺的情況，提高了系統(tǒng)的整體性能。

2.2 軟件流程圖

在單片機(jī)C52的基礎(chǔ)上，控制程序應(yīng)該是用匯編語(yǔ)言所編寫的，具體的軟件控制流程為：系統(tǒng)開始工作后，先進(jìn)行自檢和初始化的操作，然后是溫度設(shè)定和溫度采樣的過程，在溫度采樣的過程中，如果溫度差是小于0.05攝氏度的，那么PI+Fuzzy算法程序就會(huì)充分輸出控制量并重新進(jìn)行溫度采樣的工作，直到溫度差滿足要求后，才會(huì)結(jié)束流程。

3 半導(dǎo)體激光器的精密溫控系統(tǒng)的安裝

在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，激光二極管的后面是應(yīng)緊貼一塊鋁熱沉的，其下方應(yīng)安裝一個(gè)溫度傳感器，而另一面則應(yīng)緊貼一個(gè)半導(dǎo)體制冷器，其直徑應(yīng)為20mm，那么制冷器的一面就是緊貼一塊大的散熱片的，而另一面則是緊貼鋁熱沉的，散熱片的對(duì)面為一個(gè)電壓是5伏特的風(fēng)扇，從而半導(dǎo)體制冷器所產(chǎn)生的熱量就會(huì)通過風(fēng)扇以及散熱片散發(fā)出去。

4 結(jié)束語(yǔ)

在確定溫控系統(tǒng)的控制精度是否符合要求時(shí)，我們一般選用間接測(cè)量的方法，也就是說要測(cè)量通有恒定電流的熱敏電阻NTC上的電壓降，之后應(yīng)將電壓的波動(dòng)情況轉(zhuǎn)化成為溫度穩(wěn)定度的變化情況，在實(shí)驗(yàn)的過程中，我們選用的半導(dǎo)體制冷器為珠海金電子制冷有限公司生產(chǎn)的12705型號(hào)半導(dǎo)體制冷器，其額定電流為5A，額定電壓為12V，偏置電流為100ūA，尺寸為40mm×40mm×4mm，熱敏電阻為常州精達(dá)電子公司所制造生產(chǎn)的MF51C-3950-103型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其兩端的電壓值控制在0.02V，再將其轉(zhuǎn)化為溫度值后，其精度就可以控制在0.05攝氏度。

參考文獻(xiàn)

[1]于復(fù)生.一種大功率半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2004.

[2]蔣和倫.半導(dǎo)體激光器的精密溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

[3]王云才.新型的半導(dǎo)體激光器保護(hù)電路[J].應(yīng)用激光，2006.