基于單片機的大功率半導體激光器溫度控制系統的設計

龐慧敏++李林書++周哲海

摘要：本文以STC89C52為主控芯片，用DS18B20實時監控激光器溫度變化，半導體制冷器TEC作為執行元件，對溫度實時采集和控制，使激光器工作于最佳溫度點。實驗結果表明：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℃。

關鍵詞：大功率激光器；溫度控制；STC89C52；LCD

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0176-02

1 引言

半導體激光器因體積小、重量輕、效率高等優點，顯示出特有應用前景。但溫度不穩定使輸出功率不穩、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先的公司有：IXLight，WAVELEN GTH，McShane等[2]。

以IXLight的 LD3700（臺式機）為例：由數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；半導體制冷器具有獨立的限流電路；過熱保護電路，在溫控器失靈時，激光器依舊安全[3]。

國內生產激光器恒溫控制器較少，產品溫控精度不高，范圍較窄[4-5]。

雖然國外產品穩定性好、溫控精度較高，但非常昂貴。研究成本低、高穩定度的激光器溫控系統具有一定的經濟價值和現實意義。

2 系統設計方案

控制系統設計框圖如圖1所示。

通電后，風扇為激光器散熱。通過鍵盤設置需要控制的溫度范圍。DS18B20測得激光器的溫度反饋給單片機，數據處理后送LCD液晶顯示器實時顯示。同時單片機通過PWM波控制TEC（ Thermo Electric Cooler）制冷、保溫或加熱。

2.1 硬件選取和電路實現

2.1.1 溫度采集電路

DS18B20是一種數字化單總線器件，與傳統的PTC、NTC等熱敏電阻相比，它能夠直接測出溫度，不需要AD轉換，直接將數據發送給單片機。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驅動經L298N實現控制；最高工作電壓可達46V；瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；額定功率25W。

2.2 軟件設計

流程如圖3所示。初始化后，處理DS18B20收集的溫度數據，調用按鍵子程序設置溫度上下限，調用顯示子程序將溫度值和設置的上下限值顯示在LCD上。比較測得溫度與設定溫度（T0）通過PWM波控制TEC驅動模塊對TEC工作。

3 仿真調試與實驗結果

溫度設置在19℃到21℃之間時，LCD顯示實時溫度23.2℃，高于設定溫度范圍，風扇保持轉動，TEC熱電制冷片進行制冷。幾秒鐘后，達到設定溫度范圍。將設置溫度調高，TEC進行制熱，激光器迅速升溫，達到溫度設定范圍。圖4是設定溫度區間為19℃到21℃的溫控曲線圖。實驗結果表明：激光器的溫控范圍為-10～50℃控溫精度在±0.5℃。

4 總結

本文對半導體激光器的溫控系統進行了詳細設計，實驗結果表明，該溫度控制實現了精度穩定的溫度控制。

致謝

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

參考文獻

[1]全偉，李光慧，陳熙，等. 一體化半導體激光器的ANSYS熱仿真及結構設計[J]. 光學精密工程，2016，24（5）：1080-1086.

[2]LU，AQ，LI Y Q，LI J， et al.Strain and temperature monitoring of 110 KV optical fiber composite submarine power cable based on Brillution optical time domain reflectometer [J]. High Voltage Engineering，2014， 40（2）： 533-539（in Chinese）

[3]HE P W . Effect of ambient tempreture on the power of semiconductor lasers [J] .Science & Technology Vision，2016 ， 41（7）：171-172（in Chinese）.

[4]LIAO P，Mo Sh W. 1310nm/1550nm semiconductor lasers power supply for the optical fiber measurement [J] . Laser Technology，2013，37（4） ： 541-546 （in Chinese）.

[5]戴俊珂，姜海明，鐘奇潤，謝康，曹文峰.基于自整定模糊PID算法的LD溫度控制系統[J].紅外與激光工程，2014，43（10）endprint