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1、第24卷第6期重庆工商大学学报(自然科学版)2007年12月Vo.l24No.6JChongqingTechnolBusinessUniv.(NatSciEd)Dec.2007文章编号:1672-058X(2007)06-0588-04半导体激光器的精密温控系统设计1,2蒋和伦(1.重庆大学通信工程学院,重庆400044;2.重庆工商大学计算机科学与信息工程学院,重庆400067)摘要:介绍了一种大功率半导体激光器的精密Fuzzy+PI温控系统的设计,利用半导体制冷器对大功率半导体激光器进行精密温控,控制精度高、振荡小;在常规模糊PID控制器的基础上,通过增
2、加模糊控制规则,从而构成变积分系数的模糊PI控制器,通过在线调整积分系数,间接调整常规模糊控制器的模糊控制规则,以改善其性能。关键词:大功率激光二极管;半导体制冷器;Fuzzy;PI中图分类号:TN248文献标识码:A随着光电技术的迅猛发展,激光器已广泛应用于医疗、国防、测量等各个领域,对激光器输出波长的稳定度、输出功率波动范围都提出了越来越高的要求。而激光二极管的工作物质是PN结,特点是极易受温度的影响,其输出波长、阈值电流及输出功率的稳定性对温度都非常敏感,工作温度与激光器输出波长的关系如图1所示。因此,工作温度对于激光二极管十分重要,只有提供了恒定的工
3、作温度,才能保证激光二极管具有稳定的输出波长和输出功率及最大的效率。半导体制冷器(Thermoelectriccoolercontroller)又称温差电制冷器,当通过直流电流时,热量由组件的一端吸收并释放到另图1激光器波长与温度的关系一端,从而起到温度的调节作用,半导体制冷器TEC是具备制冷和制热能力的器件,TEC是实现半导体温控技术的核心,通过调节TEC的电流或电压,可以方便地实现精[1,2]密温控,采用模糊PI控制算法,可以使系统具有调节迅速和设计简单的优点,而且控制精度高、计算量小和实时性好。1系统硬件设计激光器是一种比较昂贵的半导体器件,系统应有严格的
4、保护措施。本系统采用了软件和硬件的双重保护设计。(1)硬件保护。半导体制冷器具有独立的限流电路,使得无论进行何种操作,输出电流都被限制到一定范围内。一旦超过限定电流,特定的报警指示灯点亮;采用过热保护电路,确保系统过热或者温控器失灵情况下半导体激光器二极管的安全。(2)软件保护。使用将看门狗定时器、电压监控和EEPROM结合在一起的新型可编程芯片X25045。利用X25045既可以防止程序走飞,同时可以监测电源电压情况,以便系统在掉电时能即时复位,避免因收稿日期:2007-05-18;修回日期:2007-06-20。作者简介:蒋和伦(1965-),男,重庆铜梁人,硕
5、士,副教授,从事电子技术和计算机硬件研究。第6期蒋和伦:半导体激光器的精密温控系统设计589电源干扰波动时影响系统的正常工作。单片机应用中需要预先设置的一些参数存入X25045中实现掉电保护。图2为半导体制冷的温度控制系统,它主要由3部分组成:传感及传输部分、转换部分、制冷及控制部分。半导体激光器工作时,随着时间的推移其温度会逐渐增加,测温传感器将温度变化的信号转换为电阻变化,再经双绞线电流变送器变为电流信号传送图2温度控制原理到信号转换单元,信号转换单元包含有电流电压转换(I/V)和A/D转换器,从A/D转换器输出的代表温度的信号
6、被送入单片机,经过PTT算法处理后,由扩展口输出信号来控制固态继电器,以实现对制冷器的控制,从而保证半导体激光器温度的恒定。控制系统采用了89C52单片机系统,根据半导体激光器的温度特性,对其进行控制时,要求A/D转换的采样速度不一定很高,但精度应满足要求,且执行机构的频响要较高,可选择双积分性A/D转换器。温度传感器采用薄膜铂电阻传感器,这种传感器体积小、精度高,采用半导体工艺制成。它的工作原理是将温度的变化转化为自身电阻的变化。因此,测温的精度在一定程度上就决定于将这个电阻值的变化转换为电压变化过程的精度。将电阻值的变化转换为电压的变化通常是采用电桥的方法,并采
7、用双绞线电流发送器来保证信号的转换和传输,因为将信号变为电流来传输,其接地噪声和电压漂移对信号的传输均不产生影响,可以保证传输精度。1.1数据采样部分利用恒流源产生恒定电流加到热敏电阻上,由A/D转换器将热敏电阻两端电压采入单片机内进行处理。利用拟和算法将电压值转换为对应的电阻值,再将其对应的温度值求出。1.2数据处理及驱动部分根据文献[3],采样温度值与设定温度值相比较以求出差值,利用模糊PID算法得到对应的控制量,控制量经过D/A转换器输出模拟电压。模拟电压经过PWM功率放大器放大后,驱动半导体制冷器工作,从而控制激光二极管的温度。采用数字脉宽调制技术控
