CN101540474A - 数字式半导体激光器恒温控制器 - Google Patents

Abstract

本发明的数字式半导体激光器恒温控制器属于电子设备技术领域，特别涉及一种控制半导体制冷器进行制冷和控制恒温的电子设备。结构包括前面板(1)、半导体致冷器、中央处理器(2)、按钮输入电路(3)、LED指示灯输出电路(4)、串口通信电路(5)及由温度测量电路(6)、A/D转换电路(7)、D/A转换电路(8)、电压供电电路(9)、驱动电路控制电压模块(10)、驱动电路功率模块(11)和显示模块(12)组成闭合的控制环。利用自动控制算法最终保证受控物体的温度稳定在设定温度值上。可设定温控范围－40～+100℃，精确度+/－0.2℃，稳定度+0.005℃。

Description

数字式半导体激光器恒温控制器

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种控制半导体制冷器进行制冷和恒温的电子设备。

背景技术

光纤通信系统中均使用激光二极管作为光源，半导体激光器作为一种高功率密度并且具有极高量子效率的器件，尽管其是高效率的电子一光子转换器件，但由于不可避免地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20％～30％，这意味着相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高。温度对激光器的影响主要有以下几个方面：

1、温度对阈值电流的影响：

随着温度的升高将引起阈值电流的增大，使输出功率下降，从而给激光器驱动电源的设计带来困难。

2、温度对V-I关系的影响：

当注入电流相等时，温度高的激光器对应的正向压降也大，这会给半导体激光器恒流源的设计带来困难。

3、温度对输出波长的影响：

由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄，使激射波长向长波方向移动，即红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关，约为0.2～0.3nm/℃。因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长要求严格的一些应用。

4、温度对P-I曲线非线性的影响：

理想情况下，半导体激光器的P-I应该是线性曲线，PN结过热是产生非线性的原因之一。除此之外，来自于有源区中横(侧)模的不稳定性，来自外部的反射光(如从连接器，尾纤端等部位)以及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的不稳定性是出现P-I曲线扭折的主要原因，这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外，还与温度有很大关系。

除此之外温度升高还会增加内部缺损，严重地影响器件的寿命，给应用带来很大困难。如果不将所产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。试验表明，温度每增加25℃，器件的寿命减少一半，即使工作电流在数十毫安的半导体激光器，它却承受了10²A/cm左右的光电流密度。所以工作温度对于激光器十分重要，必须给激光器提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光器具有最大的效率和最小的功率波动。

以前对大功率激光器往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。目前多采用半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)对激光器进行制冷和温控。半导体制冷器是一种固体制冷方式，与通常压缩机制冷系统相比，其优点是没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声、无污染、体积小，可小型、微型化，可靠性高，寿命长，可电流反向加热，易于恒温，现在普遍用于半导体激光器的制冷系统中。本发明也采用半导体制冷器。

目前国内外已有的与本发明类似的产品，如：

台湾致惠科技股份有限公司的CDS系列热电模组控制器，该产品的特性包括：

1、双向无段电流驱动，高功率达150W/300W，高效率达90％以上。

2、Auto tune/PID控制，控制最佳化。

3、可设定温控范围-50～+150℃，精确度+/-0.3℃，稳定度+/-0.01～0.05℃。

4、温度设定与读值解析度0.01℃。

5、可单机操作或连接PC软体操作。

6、整合控制器与驱动器，并拥有两组T-type热电偶。

7、可搭配客制化温控平台，适用于电子元件测试、光电检测、材料研究、生物科技等。

美国Wavelength Electronics Inc.的LFI3751 Temperature Control Instrument，该产品的特性包括：

1、24小时温度稳定度：0.003℃。

2、最大TEC驱动电流输出：±5安培。

3、比例系数增益范围：1～100。

4、积分时间常数范围：1～10秒。

5、微分时间常数范围：1～100秒。

6、供电电压：+115V～+230V。

7、RS-232接口。

美国ThermOptics Inc.的DN1220Thermoelectric Cooler Controller，该产品的特性包括：

1、比例和积分控制。

2、增益与积分时间常数由一个电位器控制(无需外部提供积分电容)。

3、单电源供电：直流+5V～+12V。

4、驱动电流：±2安培。

5、独立加热和制冷电流限制调节。

6、温度稳定度高于0.01℃。

但是，上述的产品也只有产品性能的介绍，而没有见到具体结构的公开。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，利用温度传感器反馈回的信号，采用PID等算法控制半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)对激光器进行制冷和温控。达到稳定半导体激光器工作参数，延长半导体激光器使用寿命的目的。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种数字式半导体激光器恒温控制器，结构有前面板1、串口通信电路5、A/D转换电路7、D/A转换电路8、显示模块12，其特征是，结构还有中央处理器2、按钮输入电路3、LED指示灯输出电路4、温度测量电路6、电压供电电路9、驱动电路控制电压模块10和驱动电路功率模块11；电压供电电路9为驱动电路控制电压模块10提供工作电压。

所述的中央处理器2由STC89C51单片机构成；按钮输入电路3与STC89C51的INT0、INT1、P1.0和P1.1引脚连接给中央处理器2提供当前按钮的输入状态；LED指示灯输出电路4与STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引脚连接，由中央处理器2控制LED指示灯输出电路4的显示状态；显示模块12与STC89C51的P0口、RD、WR和P2.2连接，由中央处理器2控制显示模块12的显示；串口通信电路5与STC89C51的TXD和RXD引脚连接，通过串口通信电路5与上位机进行串口通信。A/D转换电路7与STC89C51的P0口、P2.1、P2.3、P2.4、RD和WR连接，用来将模拟量转换成数字量。D/A转换电路8与STC89C51的P0口、P2.0、P2.3、RD和WR连接，用来将模拟量转换成数字量。中央处理器STC89C51的XTAL1和XTAL2两引脚接晶振XTAL的两端，另外还分别接电容C6、C7后接地。

中央处理器2将设定好的温度对应的电压数值提供给D/A转换电路8转换成模拟电压量，进而控制驱动电路控制电压模块10产生半导体致冷器控制电压，然后经驱动电路功率模块11进行功率放大，驱动控制半导体致冷器工作；通过温度测量电路6将当前受半导体致冷器控制物体的温度转换成电压量，送入A/D转换电路7转换成数字量提供给中央处理器2，由此形成了一个闭合的控制环，驱动控制半导体致冷器进行加热或制冷。

本发明的数字式半导体激光器恒温控制器的前面板1，其上装有参数调节旋钮通过对应的旋转编码器与按钮输入电路3连接、参数调节模式按钮、显示模式按钮分别与按钮输入电路3连接；温度预制指示灯、限流调节指示灯、比例系数K指示灯和积分常数τ指示灯分别与LED指示灯输出电路4连接；NTC输入接头与温度测量电路6连接；TEC输出接头与驱动电路功率模块11连接。

本发明中用到的串口通信电路5、A/D转换电路7、D/A转换电路8、显示模块12与现有的电路基本上是相同的，是公知的技术。下面对本发明的几部分重要电路的结构进行叙述。

按钮输入电路3主要由施密特触发器芯片SN7414构成；施密特触发器芯片SN7414的14引脚接+5V电源，并且经滤波电容C23接地；SN7414的7引脚接地；SN7414的1引脚经电阻R4接+5V电源，经电容C24接地，并且接端口“ROTC1”，端口“ROTC1”接前面板1上的参数调节旋钮对应的旋转编码器的引脚1；SN7414的2引脚接端口“ROTCODER1”，端口“ROTCODER1”接中央处理器STC89C51的外部中断引脚INT0；SN7414的3引脚经电阻R5接+5V电源，经电容C25接地，并且接端口“ROTC2”，端口“ROTC2”接前面板1上的参数调节旋钮对应的旋转编码器的引脚2；SN7414的4引脚接端口“ROTCODER2”，端口“ROTCODER2”接中央处理器STC89C51的外部中断引脚INT1；SN7414的5引脚经电阻R6接+5V电源，经电容C26接地，并且接端口“PAR_MODE”，端口“PAR_MODE”接前面板1上的参数调节模式按钮；SN7414的6引脚接端口“PAR_SW”，端口“PAR_SW”接中央处理器STC89C51的引脚P1.0；SN7414的9引脚经电阻R7接+5V电源，经电容C27接地，并且接端口“DSP_MODE”，端口“DSP_MODE”接前面板1上的显示模式按钮；SN7414的8引脚接端口“DSP_SW”，端口“DSP_SW”接中央处理器STC89C51的引脚P1.1。

LED指示灯输出电路4主要由MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4和MOS管Q5构成；其中，各MOS管的栅极S接地；各MOS管的源极G分别经电阻R8、R10、R12和R14接中央处理器STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引脚；各MOS管的漏极D分别经电阻R9、R11、R13和R15接端口“SET_T”、“LIM_C”、“ADJ_K”和“ADJ_tao”；各端口再分别接前面板1上的温度预制指示灯、限流调节指示灯、比例系数K指示灯和积分常数τ指示灯。

温度测量电路6包括：+12V电源接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U10B的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U10B的输出端与电阻R30和电容C37相连；电容C37与运放U10B的反相输入端相连，并经电阻R29与三极管Q1的射极相连；电阻R29与+12V电源相连；电阻R30与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的集电极接端口“NTC_in”即前面板1的NTC输入接头；在三极管Q1的集电极输出端连接一个由运放U11A组成的电压放大器，运放U11A同相输入端接三极管Q1的集电极，运放U11A反相输入端接电位器R31的抽头端；R31的另外两端分别接地和U11A的输出端；运放U11A的输出端接A/D转换电路7的电压输入端口“NTCFeedBack”。

电压提供电路9包括：集成运放U10A的同相输入端经电阻R25接+12V电源，经电阻R26接地，另外电阻R26并接电容C35；U10A的反相输入端经电阻R27接U10A的输出端，另外电阻R27并接电容C36；运放U10A的输出端就是+6V电压提供电路9的电压输出端。

驱动电路控制电压模块10包括：运放U8A的同相输入端接D/A转换电路8的输出电压“CUR_ctrl”，经电容C29接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；U8A的反相输入端经电容C30接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”，经电容C31接U8A的输出端，运放U8A的输出端经电阻R16接运放U9A的反相输入端，U9A的反相输入端经电阻R17接U9A的输出端；运放U9A的同相输入端接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”，经电容C32接U8A的输出端；运放U9A的输出端接控制电压输出端口CON1的3引脚，经电阻R18接运放U9B的反相输入端，U9B的反相输入端经电阻R19接U9B的输出端；运放U9B的同相输出端接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；运放U9B的输出端接控制电压输出端口CON1的4引脚；控制电压输出端口CON1的1引脚经电阻R22接运放U8B的反相输入端，U8B的反相输入端经电阻R23接U8B的输出端；控制电压输出端口CON1的2引脚经电阻R20接运放U8B的同相输入端，U8B的同相输入端经电阻R21接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；运放U8B的输出端经电阻R24接运放U8A的同相输入端；控制电压输出端口CON1的6、8、10引脚接+12V电源，经电容C1、C2接地；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

驱动电路功率模块11包括：控制电压输入端口CON4的1、2、3、4引脚与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：控制电压输入端口CON4的3引脚与NPN型达林顿管Q1及PNP型达林顿管Q2的基极相连；达林顿管Q1的集电极接+12V电源；达林顿管Q2的集电极接地，达林顿管Q1的发射极与达林顿管Q2的发射极相连后再通过0.1欧姆的取样电阻Rs1串接输出端口“TEC”，即前面板1上的TEC输出接头与NPN型达林顿管Q3及PNP型达林顿管Q4的射极相连；达林顿管Q3的集电极接+12V电源；达林顿管Q4的集电极接地；控制电压输入端口CON4的4引脚与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；取样电阻Rs1两端还与电压输入端口CON4的1、2引脚相连；输出端口“TEC”的两个引脚还分别与电压输入端口CON4的3、4引脚相连；控制电压输入端口CON4的6、8、10引脚接+12V电源；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

本发明数字式半导体激光器恒温控制器有以下有益效果：

1、本发明数字式半导体激光器恒温控制器可保证激光器输出功率的稳定性和光谱的纯度；

2、本发明数字式半导体激光器恒温控制器抗干扰能力强，性能稳定工作可靠，正常使用不会出现误动作。

3、采用限幅过流保护，降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏，有效保护了仪器的稳定工作。

4、最大控制电流可以达到±2.5A，最大输出功率可达20W。

5、带有RS-232接口，可对数字式半导体激光器恒温控制器的程序进行升级。

6、带有RS-232接口，可对数字式半导体激光器恒温控制器的数据用PC进行实施监控。

7、比例系数增益范围：1～200。

8、积分时间常数范围：0.1～30秒。

9、可设定温控范围-40～+100℃，精确度+/-0.2℃，稳定度±0.005℃。

10、本发明数字式半导体激光器恒温控制器不仅可以用于半导体激光器的温度控制中，而且还可以应用于其它需要控制温度的小环境场合。

11、此恒温控制器适用于激光器的长期工作。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明的中央处理器2原理图。

图3是本发明的按钮输入电路3原理图。

图4是本发明的LED指示灯输出电路4原理图。

图5是本发明的串口通信电路5原理图。

图6是本发明的温度测量电路6原理图。

图7是本发明的A/D转换电路7原理图。

图8是本发明的D/A转换电路8原理图。

图9是本发明的+6V电压提供电路9原理图。

图10是本发明的TEC驱动电路控制电压模块10原理图。

图11是本发明的TEC驱动电路功率模块11原理图。

图12是本发明的显示模块12原理图。

图13是本发明的前面板1结构图。

具体实施方式

各实施例中，电路元件优选的电阻值、电容值标注在元件之后的括号内。

实施例1结合图1说明本发明的总体结构

本发明的数字式半导体激光器恒温控制器是用于大功率激光二极管的温度控制器。由前面板1、中央处理器2、按钮输入电路3、LED指示灯输出电路4、串口通信电路5、温度测量电路6、A/D转换电路7、D/A转换电路8、+6V电压提供电路9、TEC驱动电路控制电压模块10、TEC驱动电路功率模块11和显示模块12组成。

按钮输入电路3给中央处理器2提供当前按钮的输入状态。中央处理器STC89C51控制LED指示灯输出电路4的显示状态。中央处理器STC89C51控制显示模块12的显示。中央处理器STC89C51通过串口通信电路5与上位机进行串口通信。中央处理器STC89C51将设定好的温度对应的电压数值提供给D/A转换电路8转换成模拟电压量，进而控制TEC驱动电路控制电压模块10产生TEC控制电压，然后经TEC驱动电路控制电压模块10进行功率放大，从而驱动控制TEC进行加热或制冷。通过温度测量电路6将当前受TEC控制物体的温度转换成电压量，送入A/D转换电路7转换成数字量提供给中央处理器STC89C51，由此形成了一个闭合的控制环，利用自动控制算法最终保证受控物体的温度稳定在设定温度值上。

实施例2中央处理器2

中央处理器2由STC89C51单片机构成；按钮输入电路3与STC89C51的INT0、INT1、P1.0和P1.1引脚连接给中央处理器2提供当前按钮的输入状态；LED指示灯输出电路4与STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引脚连接，由中央处理器2控制LED指示灯输出电路4的显示状态；显示模块12与STC89C51的P0口、RD、WR和P2.2连接，由中央处理器2控制显示模块12的显示；串口通信电路5与STC89C51的TXD和RXD引脚连接，通过串口通信电路5与上位机进行串口通信。A/D转换电路7与STC89C51的P0口、P2.1、P2.3、P2.4、RD和WR连接，用来将模拟量转换成数字量。D/A转换电路8与STC89C51的P0口、P2.0、P2.3、RD和WR连接，用来将模拟量转换成数字量。中央处理器STC89C51的XTAL1和XTAL2两引脚接晶振XTAL(12MHz)的两端，另外还分别接电容C6(30pF)、C7(30pF)后接地。

实施例3按钮输入电路3

按钮输入电路3包括：施密特触发器芯片SN7414的14引脚接+5V电源，另外经滤波电容C23(0.1uF)接地；SN7414的7引脚接地；SN7414的1引脚经电阻R4(10kΩ)接+5V电源，经电容C24(0.47uF)接地，接端口“ROTC1”即前面板1的参数调节旋钮对应的旋转编码器的引脚1；SN7414的2引脚接端口“ROTCODER1”即中央处理器STC89C51的外部中断引脚INT0；SN7414的3引脚经电阻R5(10kΩ)接+5V电源，经电容C25(0.47uF)接地，接端口“ROTC2”即前面板1的参数调节旋钮对应的旋转编码器的2引脚；SN7414的4引脚接端口“ROTCODER2”即中央处理器STC89C51的外部中断引脚INT1；SN7414的5引脚经电阻R6(10kΩ)接+5V电源，经电容C26(0.47uF)接地，接端口“PAR_MODE”即前面板1的参数调节模式按钮；SN7414的6引脚接端口“PAR_SW”即中央处理器STC89C51的引脚P1.0；SN7414的9引脚经电阻R7(10kΩ)接+5V电源，经电容C27(0.47uF)接地，接端口“DSP_MODE”即前面板1的显示模式按钮；SN7414的8引脚接端口“DSP_SW”即中央处理器STC89C51的引脚P1.1。

实施例4LED指示灯输出电路4

LED指示灯输出电路4包括：MOS管Q2的漏极D经电阻R9(10kΩ)接端口“SET_T”即前面板1的温度预制指示灯；Q2的源极S经电阻R8(10kΩ)接中央处理器STC89C51的P1.4引脚；Q2的栅极接地；MOS管Q3的漏极D经电阻R11(10kΩ)接端口“LIM_C”即前面板1的限流调节指示灯；Q3的源极S经电阻R10(10kΩ)接中央处理器STC89C51的P1.5引脚；Q3的栅极接地；MOS管Q4的漏极D经电阻R13(10kΩ)接端口“ADJ_K”即前面板1的比例系数K指示灯；Q4的源极S经电阻R12(10kΩ)接中央处理器STC89C51的P1.6引脚；Q4的栅极接地。MOS管Q5的漏极D经电阻R15(10kΩ)接端口“ADJ_tao”即前面板1的积分常数τ指示灯；Q5的源极S经电阻R14(10kΩ)接中央处理器STC89C51的P1.7引脚；Q5的栅极接地。

实施例5串口通信电路5

串口通信电路5包括：串口驱动芯片MAX232的16引脚接+5V电源，另外经滤波电容C8(0.1uF)接地；MAX232的6引脚经电容C9(0.1uF)接地；MAX232的2引脚经电容C10(0.1uF)接地；MAX232的1引脚经电容C11(0.1uF)接3引脚；MAX232的4引脚经电容C12(0.1uF)接5引脚；MAX232的14引脚接RS232串口输出端口CON3的引脚1；MAX232的13引脚接RS232串口输出端口CON3的2引脚；RS232串口输出端口CON3的3引脚接地。

实施例6温度测量电路6

温度测量电路6包括：+12V电源接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U10B的同相输入端和电阻R5(9.1kΩ)相连；电阻R5另一端接地；运放U10B的输出端与电阻R30(1kΩ)和电容C37(47pF)相连；电容C37与运放U10B的反相输入端相连，并经电阻R29(24kΩ)与三极管Q1的射极相连；电阻R29与+12V电源相连；电阻R30与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的集电极接端口“NTC_in”即前面板1的NTC输入接头；在三极管Q1的集电极输出端连接一个由运放U11A组成的电压放大器，运放U11A同相输入端接三极管Q1的集电极，运放U11A反相输入端接电位器R31(100kΩ)的抽头端；R31的另外两端分别接地和U11A的输出端；运放U11A的输出端接A/D转换电路7的电压输入端口“NTCFeedBack”。

实施例7A/D转换电路7

A/D转换电路7包括：A/D转换芯片MAX197的27引脚接+5V电源，经电容C15(4.7uF)、C16(0.1uF)接地；MAX197的28引脚接地；MAX197的26引脚经电容C17(4.7uF)接地，另外接运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端，这样由U7A构成了一个电压跟随器，其输出为一4.96V的参考电压用端口“Vref”表示；MAX197的25引脚经电容C18(0.01uF)接地；MAX197的24引脚接端口ADINT即中央处理器STC89C51的P2.4引脚；MAX197的15、16、17、18、20、21、22、23引脚接地；MAX197的19引脚经电容C19(0.1uF)接地，另外接温度测量电路6提供的输入信号“NTCFeedBack”；MAX197的D7～D0即7～14引脚接中央处理器STC89C51的P0口；MAX197的6引脚接+5V电源；MAX197的5引脚接中央处理器STC89C51的P2.3引脚；MAX197的4引脚接中央处理器STC89C51的RD引脚；MAX197的3引脚接中央处理器STC89C51的WR引脚；MAX197的2引脚接中央处理器STC89C51的P2.2引脚；MAX197的1引脚经电容C20(100pF)接地。

实施例8D/A转换电路8

D/A转换电路8包括：D/A转换芯片DAC1232的20引脚接+5V电源，经滤波电容C12(0.1uF)接地；DAC1232的3、10、12引脚接地；DAC1232的D7～D0即13～16、4～7引脚接中央处理器STC89C51的P0口；DAC1232的19引脚接中央处理器STC89C51的P2.3；DAC1232的1引脚接中央处理器STC89C51的P2.0引脚；DAC1232的2、18引脚接中央处理器STC89C51的WR引脚；DAC1232的17引脚接中央处理器STC89C51的RD引脚；DAC1232的9、11引脚接由A/D转换电路7提供的4.96V参考电压“Vref”；DAC1232的8引脚接运放U7B的同相输入端，U7B的反相输入端接电位器R2(100kΩ)的抽头，电位器R2的另外两端分别接地和U7B的输出端，另外电位器R2并接了电容C14(4.7uF)；运放U7B的输出端即为此D/A转换电路8的电压输出端，用端口“CUR_ctrl”表示，该电压用来控制TEC驱动电路控制电压模块10。

实施例9电压提供电路9

+6V电压提供电路9包括：集成运放U10A的同相输入端经电阻R25(10kΩ)接+12V电源，经电阻R26(10kΩ)接地，另外电阻R26并接电容C35(0.1uF)；U10A的反相输入端经电阻R27(100kΩ)接U10A的输出端，另外电阻R27并接电容C36(0.1uF)；运放U10A的输出端即为此+6V电压提供电路9的电压输出端，用端口“+6V”表示。

实施例10驱动电路控制电压模块10

TEC驱动电路控制电压模块10包括：运放U8A的同相输入端接D/A转换电路8的输出电压“CUR_ctrl”，经电容C29(0.47uF)接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；U8A的反相输入端经电容C30(0.47uF)接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”，经电容C31(0.47uF)接U8A的输出端，运放U8A的输出端经电阻R16(100kΩ)接运放U9A的反相输入端，U9A的反相输入端经电阻R17(100kΩ)接U9A的输出端；运放U9A的同相输入端接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”，经电容C32(0.47uF)接U8A的输出端；运放U9A的输出端接控制电压输出端口CON1的3引脚，经电阻R18(100kΩ)接运放U9B的反相输入端，U9B的反相输入端经电阻R19(100kΩ)接U9B的输出端；运放U9B的同相输出端接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；运放U9B的输出端接控制电压输出端口CON1的4引脚；控制电压输出端口CON1的1引脚经电阻R22(20kΩ)接运放U8B的反相输入端，U8B的反相输入端经电阻R23(200kΩ)接U8B的输出端；控制电压输出端口CON1的2引脚经电阻R20(20kΩ)接运放U8B的同相输入端，U8B的同相输入端经电阻R21(200kΩ)接+6V电压提供电路9的输出电压“+6V”；运放U8B的输出端经电阻R24(10kΩ)接运放U8A的同相输入端；控制电压输出端口CON1的6、8、10引脚接+12V电源，经电容C1(1000uF)、C2(0.33uF)接地；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

实施例11驱动电路功率模块11

TEC驱动电路功率模块11包括：控制电压输入端口CON4的1、2、3、4引脚与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：控制电压输入端口CON4的3引脚与NPN型达林顿管Q1及PNP型达林顿管Q2的基极相连；达林顿管Q1的集电极接+12V电源；达林顿管Q2的集电极接地，达林顿管Q1的发射极与达林顿管Q2的发射极相连后再通过取样电阻Rs1(0.1欧姆)串接输出端口“TEC”即前面板1上的TEC输出接头与NPN型达林顿管Q3及PNP型达林顿管Q4的射极相连；达林顿管Q3的集电极接+12V电源；达林顿管Q4的集电极接地；控制电压输入端口CON4的4引脚与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；取样电阻Rs1两端还与电压输入端口CON4的1、2引脚相连；输出端口“TEC”的两个引脚还分别与电压输入端口CON4的3、4引脚相连；控制电压输入端口CON4的6、8、10引脚接+12V电源；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

实施例12显示模块12的电路

显示模块12包括：液晶显示屏YB1602B的1引脚接地；YB1602B的2引脚接+5V电源，经电容C22(0.1uF)接地；YB1602B的15引脚接电位器R3(200kΩ)的抽头，R3的另一端接+5V电源；YB1602B的3、16引脚接地；YB1602B的4引脚接中央处理器STC89C51(2)的RD引脚；YB1602B的5引脚接中央处理器STC89C51的WR引脚；YB1602B的6引脚接中央处理器STC89C51的P2.2引脚；YB1602B的D7～D0即14～7引脚接中央处理器STC89C51的P0口。

实施例13前面板1结构

图13给出本发明的一种前面板1的结构。前面板1上装有：参数调节旋钮接按钮输入电路3的ROTC1和ROTC2端口、显示模式按钮接按钮输入电路3的DSP_MODE端口、参数调节模式按钮接按钮输入电路3的PAR_MODE端口、温度预制指示灯接LED指示灯输出电路4的SET_T端口、限流调节指示灯接LED指示灯输出电路4的LIM_C端口、比例系数K指示灯接LED指示灯输出电路4的ADJ_K端口、积分常数τ指示灯接LED指示灯输出电路4的ADJ_tao端口、NTC输入口接温度测量电路6的NTC_in端口、TEC输出口接驱动电路功率模块11的TEC端口。

Claims (8)

1、一种数字式半导体激光器恒温控制器，结构有前面板(1)、半导体致冷器、串口通信电路(5)、A/D转换电路(7)、D/A转换电路(8)、显示模块(12)，其特征是，结构还有中央处理器(2)、按钮输入电路(3)、LED指示灯输出电路(4)、温度测量电路(6)、电压供电电路(9)、驱动电路控制电压模块(10)和驱动电路功率模块(11)；半导体致冷器与驱动电路功率模块(11)连接；电压供电电路(9)为驱动电路控制电压模块(10)提供工作电压；

所述的中央处理器(2)由STC89C51单片机构成；按钮输入电路(3)与STC89C51的INT0、INT1、P1.0和P1.1引脚连接给中央处理器(2)提供当前按钮的输入状态；LED指示灯输出电路(4)与STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引脚连接，由中央处理器(2)控制LED指示灯输出电路(4)的显示状态；显示模块(12)与STC89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6和P0.7引脚连接，由中央处理器(2)控制显示模块(12)的显示；串口通信电路(5)与STC89C51的TXD和RXD引脚连接，通过串口通信电路(5)与上位机进行串口通信；

中央处理器(2)将设定好的温度对应的电压数值提供给D/A转换电路(8)转换成模拟电压量，进而控制驱动电路控制电压模块(10)产生半导体致冷器控制电压，然后经驱动电路功率模块(11)进行功率放大，驱动控制半导体致冷器工作；通过温度测量电路(6)将当前受半导体致冷器控制物体的温度转换成电压量，送入A/D转换电路(7)转换成数字量提供给中央处理器(2)，由此形成了一个闭合的控制环，驱动控制半导体致冷器进行加热或制冷。

2、按照权利要求1所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的前面板(1)，其上装有参数调节旋钮通过对应的旋转编码器与按钮输入电路(3)连接、参数调节模式按钮、显示模式按钮分别与按钮输入电路(3)连接；温度预制指示灯、限流调节指示灯、比例系数K指示灯和积分常数τ指示灯分别与LED指示灯输出电路(4)连接；NTC输入接头与温度测量电路(6)连接；TEC输出接头与驱动电路功率模块(11)连接。

3、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的按钮输入电路(3)主要由施密特触发器芯片SN7414构成；施密特触发器芯片SN7414的14引脚接+5V电源，并且经滤波电容C23接地；SN7414的7引脚接地；SN7414的1引脚经电阻R4接+5V电源，经电容C24接地，并且接端口“ROTC1”，端口“ROTC1”接前面板(1)上的参数调节旋钮对应的旋转编码器的引脚1；SN7414的2引脚接端口“ROTCODER1”，端口“ROTCODER1”接中央处理器(2)STC89C51的外部中断引脚INT0；SN7414的3引脚经电阻R5接+5V电源，经电容C25接地，并且接端口“ROTC2”，端口“ROTC2”接前面板(1)上的参数调节旋钮对应的旋转编码器的引脚2；SN7414的4引脚接端口“ROTCODER2”，端口“ROTCODER2”接中央处理器(2)STC89C51的外部中断引脚INT1；SN7414的5引脚经电阻R6接+5V电源，经电容C26接地，并且接端口“PAR_MODE”，端口“PAR_MODE”接前面板(1)上的参数调节模式按钮；SN7414的6引脚接端口“PAR_SW”，端口“PAR_SW”接中央处理器(2)STC89C51的引脚P1.0；SN7414的9引脚经电阻R7接+5V电源，经电容C27接地，并且接端口“DSP_MODE”，端口“DSP_MODE”接前面板(1)上的显示模式按钮；SN7414的8引脚接端口“DSP_SW”，端口“DSP_SW”接中央处理器(2)STC89C51的引脚P1.1。

4、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的LED指示灯输出电路(4)主要由MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4和MOS管Q5构成；其中，各MOS管的栅极S接地；各MOS管的源极G分别经电阻R8、R10、R12和R14接中央处理器(2)STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引脚；各MOS管的漏极D分别经电阻R9、R11、R13和R15接端口“SET_T”、“LIM_C”、“ADJ_K”和“ADJ_tao”；各端口再分别接前面板(1)上的温度预制指示灯、限流调节指示灯、比例系数K指示灯和积分常数τ指示灯。

5、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的温度测量电路(6)包括：+12V电源接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U10B的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U10B的输出端与电阻R30和电容C37相连；电容C37与运放U10B的反相输入端相连，并经电阻R29与三极管Q1的射极相连；电阻R29与+12V电源相连；电阻R30与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的集电极接端口“NTC_in”即前面板(1)的NTC输入接头；在三极管Q1的集电极输出端连接一个由运放U11A组成的电压放大器，运放U11A同相输入端接三极管Q1的集电极，运放U11A反相输入端接电位器R31的抽头端；R31的另外两端分别接地和U11A的输出端；运放U11A的输出端接A/D转换电路(7)的电压输入端口“NTCFeedBack”。

6、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的电压提供电路(9)包括：集成运放U10A的同相输入端经电阻R25接+12V电源，经电阻R26接地，另外电阻R26并接电容C35；U10A的反相输入端经电阻R27接U10A的输出端，另外电阻R27并接电容C36；运放U10A的输出端就是+6V电压提供电路(9)的电压输出端。

7、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的驱动电路控制电压模块(10)包括：运放U8A的同相输入端接D/A转换电路(8)的输出电压“CUR_ctrl”，经电容C29接+6V电压提供电路(9)的输出电压“+6V”；U8A的反相输入端经电容C30接+6V电压提供电路(9)的输出电压“+6V”，经电容C31接U8A的输出端，运放U8A的输出端经电阻R16接运放U9A的反相输入端，U9A的反相输入端经电阻R17接U9A的输出端；运放U9A的同相输入端接+6V电压提供电路(9)的输出电压“+6V”，经电容C32接U8A的输出端；运放U9A的输出端接控制电压输出端口CON1的3引脚，经电阻R18接运放U9B的反相输入端，U9B的反相输入端经电阻R19接U9B的输出端；运放U9B的同相输出端接+6V电压提供电路(9)的输出电压“+6V”；运放U9B的输出端接控制电压输出端口CON1的4引脚；控制电压输出端口CON1的1引脚经电阻R22接运放U8B的反相输入端，U8B的反相输入端经电阻R23接U8B的输出端；控制电压输出端口CON1的2引脚经电阻R20接运放U8B的同相输入端，U8B的同相输入端经电阻R21接+6V电压提供电路(9)的输出电压“+6V”；运放U8B的输出端经电阻R24接运放U8A的同相输入端；控制电压输出端口CON1的6、8、10引脚接+12V电源，经电容C1、C2接地；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

8、按照权利要求1或2所述的数字式半导体激光器恒温控制器，其特征是，所述的驱动电路功率模块(11)包括：控制电压输入端口CON4的1、2、3、4引脚与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：控制电压输入端口CON4的3引脚与NPN型达林顿管Q1及PNP型达林顿管Q2的基极相连；达林顿管Q1的集电极接+12V电源；达林顿管Q2的集电极接地，达林顿管Q1的发射极与达林顿管Q2的发射极相连后再通过0.1欧姆的取样电阻Rs1串接输出端口“TEC”，即前面板(1)上的TEC输出接头与NPN型达林顿管Q3及PNP型达林顿管Q4的射极相连；达林顿管Q3的集电极接+12V电源；达林顿管Q4的集电极接地；控制电压输入端口CON4的4引脚与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；取样电阻Rs1两端还与电压输入端口CON4的1、2引脚相连；输出端口“TEC”的两个引脚还分别与电压输入端口CON4的3、4引脚相连；控制电压输入端口CON4的6、8、10引脚接+12V电源；控制电压输出端口CON1的5、7、9引脚接地。

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