基于ARM? Cortex?-M3單片機的激光發射光源的設計

陳瑋倢，孫曉東，陳男

（黑龍江科技大學，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

激光發生模塊對于系統相當于心臟對于人體的地位，為整個系統提供必須的“血液”，而“血液”的質量決定著系統的健康狀況。所以對于激光發生模塊的研發要求其要具有高穩定性、高輸出功率和滿足系統要求的輸出光譜，做到保證系統高穩定高輸出的運行。

本次激光發射模塊的設計采用STM32F103C8T6芯片作為主控制芯片。STM32F103C8T6芯片使用高性能的ARM? Cortex-?-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。具有高性能、低成本、低功耗的特點。包含2個12位的ADC、 3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口和SPI接口、 3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。供電電壓2.0V至3.6V。

1 單片機最小系統

如圖1所示，構建STM32單片機最小系統，單片機最小系統包含時鐘電路，復位電路。

圖1 單片機電路圖

X1、C15、C16為時鐘電路，X1為8Mhz時鐘晶振，給單片機提供8Mhz時鐘信號；C15、C16協助晶振快速起震，并穩定時鐘頻率；C17、C19構成復位電路；R18為BOOT0下拉電阻，默認把BOOT0拉低，從STM32單片機內部儲存器啟動。

C17、C18為3.3V濾波電容，保證STM32單片機供電穩定，P3為SWD接口，用STLINK燒錄器，可以連接電腦，實現在線調試，燒寫程序。

2 恒溫恒功率電路設計

如圖2所示，為NTC溫度傳感器，主要負責檢測溫度，當溫度不同，P6 NTC溫度傳感器電阻阻值不同，溫度傳感器和R16構成電阻分壓電路，所以溫度變化，會導致STM32單片機PA4引腳電壓高低變化，當STM32單片機采集PA4引腳的電壓發生變化時，即可知道溫度數據，C20為濾波電容，提高STM32采集溫度精度。

圖2 NVT溫度傳感器

上圖為TEC制冷制熱驅動電路，可以采用一個24V TEC制冷片或兩片12V串聯使用，給TEC制冷片施加正向電壓，則制冷；給TEC制冷片施加反向電壓，制熱；所以用到了H橋啟動電路，BTS7960為半橋電路，采用兩片BTS7960，即可構成全橋驅動，U4、U5為光耦隔離，STM32單片機PB8、PB9兩個引腳即可控制輸出，當PB8為高，PB9為低，則TEC得到正向電壓，當PB8為低，PB9為高，則TEC得到反向電壓，當PB8、PB9同時為高或者低，則TEC為0V。

發光二極管并聯接在TEC兩端，單片機通過對PA4引腳的溫度信息反饋，控制PB8、PB9引腳的輸出，從而控制TEC驅動電路進行溫度控制，實現發光二極管的恒溫恒功率控制。

同時，設置了外部USB接口。采用3.3V供電，2、3引腳為數據引腳，采用兩個22Ω電阻限流，和STM32單片機PA11 PA12通訊，R13為上拉電阻，用戶可以通過USB接口外接控制裝置來修改溫度參數，控制TEC驅動電路是需要加熱還是制冷，直到恒定到用戶設定值，實現恒溫恒功率控制。

3 觸摸屏驅動電路

上圖為4.3寸觸摸屏驅動電路，采用232通訊協議，U8為232芯片，負責把單片機TTL電平轉為232電平，P5為屏幕接口，1、4引腳為直流5V給屏幕供電，2、3引腳為232發射、接收引腳。

圖3 TEC驅動電路

圖4 觸摸屏驅動電路

圖5 仿真結構圖

C11、C12、C13、C14為電荷泵電容，配合芯片工作；C10為232芯片電源濾波電容，保證232芯片電源供電穩定。

4 仿真設計

如上圖5所示，為溫度控制仿真圖，NTC溫度傳感器部分采用電位器模擬熱敏電阻，通過采集電壓來模擬溫度變換情況，根據溫度值通過芯片控制升溫和降溫控制電路工作。右下角為兩個繼電器電路控制發光二極管，發光二極管有一個最合適的工作溫度，在合適溫度值時，發光二極管的功率最高，所以分別控制升溫和降溫；單片機控制芯片外接液晶顯示屏，實時顯示溫度。兩個按鍵電路模擬USB接口電路外接控制器，通過按鍵進行外部設置溫度。

5 結論

采用ARM? Cortex?-M3 32單片機能夠實現穩定發光光源的設計。本次設計具有快速的處理速度和豐富外設接口，可以完成整體控制和處理功能。另外配以液晶顯示和觸摸屏，通過程序編寫構建一個對該模塊控制的簡易的操作系統。