基于單片機(jī)的大功率半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐慧敏++李林書++周哲海

摘要：本文以STC89C52為主控芯片，用DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)控激光器溫度變化，半導(dǎo)體制冷器TEC作為執(zhí)行元件，對(duì)溫度實(shí)時(shí)采集和控制，使激光器工作于最佳溫度點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在室溫23℃的情況下，激光器的溫控范圍為-10～50℃控溫精度在±0.5℃。

關(guān)鍵詞：大功率激光器；溫度控制；STC89C52；LCD

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）10-0176-02

1 引言

半導(dǎo)體激光器因體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，顯示出特有應(yīng)用前景。但溫度不穩(wěn)定使輸出功率不穩(wěn)、波長漂移等，影響了壽命及使用[1]。

國外激光器溫度控制器領(lǐng)先的公司有：IXLight，WAVELEN GTH，McShane等[2]。

以IXLight的 LD3700（臺(tái)式機(jī)）為例：由數(shù)字器件和模擬器件組成，可任意選擇 RTD、熱敏電阻、LM335 或 AD590 作為溫度傳感器；有自校正、自檢功能；半導(dǎo)體制冷器具有獨(dú)立的限流電路；過熱保護(hù)電路，在溫控器失靈時(shí)，激光器依舊安全[3]。

國內(nèi)生產(chǎn)激光器恒溫控制器較少，產(chǎn)品溫控精度不高，范圍較窄[4-5]。

雖然國外產(chǎn)品穩(wěn)定性好、溫控精度較高，但非常昂貴。研究成本低、高穩(wěn)定度的激光器溫控系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

通電后，風(fēng)扇為激光器散熱。通過鍵盤設(shè)置需要控制的溫度范圍。DS18B20測(cè)得激光器的溫度反饋給單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理后送LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)單片機(jī)通過PWM波控制TEC（ Thermo Electric Cooler）制冷、保溫或加熱。

2.1 硬件選取和電路實(shí)現(xiàn)

2.1.1 溫度采集電路

DS18B20是一種數(shù)字化單總線器件，與傳統(tǒng)的PTC、NTC等熱敏電阻相比，它能夠直接測(cè)出溫度，不需要AD轉(zhuǎn)換，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。具體電路圖如圖2所示。

2.1.2 溫度控制電路

選用的TEC1-01703允許最大電流3A，最高控制溫度67℃，采用PWM驅(qū)動(dòng)經(jīng)L298N實(shí)現(xiàn)控制；最高工作電壓可達(dá)46V；瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

流程如圖3所示。初始化后，處理DS18B20收集的溫度數(shù)據(jù)，調(diào)用按鍵子程序設(shè)置溫度上下限，調(diào)用顯示子程序?qū)囟戎岛驮O(shè)置的上下限值顯示在LCD上。比較測(cè)得溫度與設(shè)定溫度（T0）通過PWM波控制TEC驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)TEC工作。

3 仿真調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溫度設(shè)置在19℃到21℃之間時(shí)，LCD顯示實(shí)時(shí)溫度23.2℃，高于設(shè)定溫度范圍，風(fēng)扇保持轉(zhuǎn)動(dòng)，TEC熱電制冷片進(jìn)行制冷。幾秒鐘后，達(dá)到設(shè)定溫度范圍。將設(shè)置溫度調(diào)高，TEC進(jìn)行制熱，激光器迅速升溫，達(dá)到溫度設(shè)定范圍。圖4是設(shè)定溫度區(qū)間為19℃到21℃的溫控曲線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激光器的溫控范圍為-10～50℃控溫精度在±0.5℃。

4 總結(jié)

本文對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度控制實(shí)現(xiàn)了精度穩(wěn)定的溫度控制。

致謝

項(xiàng)目研究得到了北京信息科技大學(xué)“勤信人才”培育計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：QXTCP A201701）的資助，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)

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