基于AVR單片機(jī)控制的半導(dǎo)體激光電源

摘 要：激光電源系統(tǒng)以ATmega16為微控制器，基本功能有：查詢、顯示、穩(wěn)光、恒溫。半導(dǎo)體激光器激光輸出功率受外界溫度變化的影響極其嚴(yán)重，最大缺點(diǎn)就是易損壞。因此制作一款半導(dǎo)體激光器的同時，也應(yīng)設(shè)計(jì)出配套的性能可靠的激光電源。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)精巧、使用安全、整機(jī)性能可靠，可在同類型激光器的控制及發(fā)光二極管的控制中推廣使用。

關(guān)鍵詞：激光器 單片機(jī) 電源 控制

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

驅(qū)動電源的性能對半導(dǎo)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(wěn)定。基于單片機(jī)的智能化控制，對于解決半導(dǎo)體激光器工作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性的問題起到了極大改善作用。現(xiàn)介紹一種由單片機(jī)控制的激光器電源，該系統(tǒng)具有廣大的實(shí)際使用前景。

1 系統(tǒng)構(gòu)造

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(qū)動模塊等。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器對驅(qū)動電源的特殊要求，電源的設(shè)計(jì)需非常完善。電源部分由功率驅(qū)動路、使能電路、電流負(fù)反饋電路、取樣放大路、恒流源電路、限流保護(hù)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(dǎo)體激光器輸出更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠。

2 激光電源的設(shè)計(jì)

2.1 電流源的驅(qū)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(yīng)使用效果良好的穩(wěn)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(wěn)定度，采用恒定電流源電路抑制浪涌電流。監(jiān)測單元的作用：當(dāng)工作時電流突變或高壓瞬間沖擊時做出快速響應(yīng)，同時將中斷請求送給單片機(jī)系統(tǒng)，MCU便將輸出電流調(diào)低至零，這樣實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)的作用。

2.2 光功率反饋控制

設(shè)計(jì)一個閉環(huán)的反饋系統(tǒng)來確保激光器輸出光功率的穩(wěn)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(jìn)行采樣，首先將其轉(zhuǎn)換成監(jiān)測電流，然后通過電流與電壓的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)成電壓信號，調(diào)節(jié)控制信號的幅值來調(diào)整輸出電流，最終達(dá)到對半導(dǎo)體激光器輸出光功率的恒定控制。

2.3 恒定溫度控制

半導(dǎo)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(nèi)部產(chǎn)生缺陷，還可導(dǎo)致影響壽命。PN結(jié)溫度的上升主要原因是因?yàn)檩斎氲碾娔芩a(chǎn)生的熱消耗，因此需要調(diào)控激光器的結(jié)溫，使輸出的光功率和工作波長穩(wěn)定。

利用溫度傳感器對半導(dǎo)體激光器的溫度值進(jìn)行采樣，獲取實(shí)際溫度值，然后與鍵盤預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)溫度值比較，同時進(jìn)入PID算法控制模塊，經(jīng)過算法處理，得到穩(wěn)定的溫度值，最過將穩(wěn)定的輸出數(shù)字控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，把得到的模擬信號量發(fā)送給半導(dǎo)體制冷器，從而達(dá)到對半導(dǎo)體激光器的溫度自動控制目的。

2.4 顯示界面

系統(tǒng)使用LCD12864顯示輸出頻率、輸出脈寬、輸出脈沖數(shù)。在待機(jī)時，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的頻率、脈寬、輸出脈沖數(shù)值；當(dāng)系統(tǒng)處于預(yù)置狀態(tài)時，界面顯示圖標(biāo)閃爍，如果此時有增加、減少鍵按下時，將增減相應(yīng)的數(shù)值。

2.5 鍵盤控制

鍵盤有五個按鍵，設(shè)置為開始/停止、波形的選擇、功率設(shè)置、增加、減少。可預(yù)置功率、頻率、脈寬的值。按鍵優(yōu)先級從高至低依次為啟動/停止、波形選擇、功率設(shè)置、增加、減少。通電時，波形選擇、功率預(yù)置、增加、減少鍵有效。當(dāng)增、減按鍵被連續(xù)按下時，增加、減少的速度會自動變快，使系統(tǒng)可以快速的實(shí)現(xiàn)要求功能。

2.6 硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)有光功率控制和溫度控制電路，可以更有效地解決半導(dǎo)體激光器工作的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題。硬件結(jié)構(gòu)如圖2。光功率和溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入MCU進(jìn)行運(yùn)算處理，反饋控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)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(huán)控制。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用AVR單片機(jī)對激光電源進(jìn)行智能化控制，介紹了智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理。應(yīng)用開關(guān)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(hù)完備和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，同具備與電腦或其它智能儀器通信等功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，完全達(dá)到科研機(jī)構(gòu)對激光電源性能指標(biāo)要求。

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