CN105094173A

CN105094173A - 一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN105094173A
Application number: CN201510591697.9A
Authority: CN
Inventors: 王如刚; 周六英; 周锋; 袁鑫; 郑都民
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Dongtai Chengdong Science And Technology Pioneer Park Management Co ltd
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: CN105094173B

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法，包括连接半导体激光器的温度采样电路、与温度采样电路相连的A/D转换器、键盘控制、显示模块、报警模块、单片机系统以及相连接的TEC温度控制芯片和TEC驱动电路，单片机系统其上连接有A/D转换器、键盘控制、报警模块、显示模块和TEC驱动电路。温度采样电路采集到被控物体的温度信息后通过A/D转换器传送给单片机系统，单片机系统处理温度信息，输出PWM信号占空比并传递给TEC驱动电路产生所需的控制信息驱动TEC温度控制芯片工作。本发明结合单片机控制，利用TEC驱动电路驱动TEC温度控制芯片工作，在算法上通过双PID串联控制算法实现温度的自动控制，本发明自动化程度高，温度控制精度高，安全性能好，操作方便。

Description

一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制系统，具体涉及一种半导体激光器的温度控制系统及其控制方法。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，半导体激光器已经广泛地应用于光纤通信、光纤传感和激光雷达等领域。由于激光器的输出波长随着器件温度的升高逐渐向长波长方向漂移，此外，在高度集成化的器件结构中，过高的温度将会降低元器件的性能，甚至烧毁元器件，在很大程度上降低了电子器件的稳定性和可靠性。因此，必需对半导体激光器或系统采用合适的温度控制技术，从而保证半导体激光器或系统能够正常工作。为此，研究人员在温度控制系统方面做了研究工作，获得了一定的进展。2007年，楼祺洪等人提出的申请号为200710045711.0的发明专利“半导体激光器温度控制系统”，利用电桥驱动芯片L298设计了热电制冷器的驱动电路，实现了半导体激光器的温度控制；2014年，朱俊提出的申请号为201410480407.9的发明专利申请“半导体激光器自动温度控制系统”，采用惠斯通电桥和运算放大器设计的温度检测放大电路，实现半导体激光器温度的控制。

以上现有技术具有一定的使用价值，但是，这些系统的温度采集电路的温度采集精度不高，主要是由于温度采集电路利用的是电桥电路造成的，同时没有高精度的算法进行控制，使得在控温过程中会出现温度的过冲以及在恒温控制中的温度波动现象，同时系统的响应速度较慢，因此，这些系统和方法的应用面较窄，限制其在高精度半导体激光器的温度控制系统中的应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法。

技术方案：本发明提供了一种半导体激光器温度控制系统，包括连接被控物体的温度采样电路、与温度采样电路相连的A/D转换器、键盘控制、显示模块、报警模块、单片机系统以及相连接的TEC温度控制芯片和TEC驱动电路，所述单片机系统上连接有A/D转换器、键盘控制、报警模块、显示模块和TEC驱动电路。

优选的，所述单片机系统为ARM控制器、DSP控制器或普通单片机控制器，所述显示模块为液晶显示或LED显示，所述A/D转换器为普通数模转换器或高精度数模转换器。

进一步，还包括为整个系统供电的电源模块，所述电源模块为线性稳压电源。

进一步，所述温度采样电路包括放大器芯片、电源和若干电阻、电容：

电阻R1的一端连接电源，另一端通过电阻R4接地，同时另一端通过电阻R3连接放大器芯片的第2引脚，放大器芯片的第2引脚通过电阻R2连接第6引脚，第3引脚通过电阻R5接地，第4引脚连接电源，同时第4引脚通过电容C1接地，放大器芯片的第7引脚连接电源，同时第7引脚通过电容C3接地，第7引脚通过电容C2与第4引脚连接，第6引脚通过电阻R6接地，同时，第6引脚连接所述A/D转换器，A/D转换器的另一端连接所述单片机系统。

进一步，所述TEC驱动电路包括光电耦合器、第一驱动芯片、第二驱动芯片、电源和若干电阻、电容：

所述光电耦合器的第2和第3引脚连接到单片机系统，第1引脚连接电源，第4引脚通过电阻R7连接电源，第5引脚连接地线，第8引脚连接电源，第6和第7引脚分别通过电阻R9和R8连接电源，此外，第6引脚还通过电阻R10连接到所述第一驱动芯片的第2引脚，第7引脚通过电阻R14连接所述第二驱动芯片的第2引脚；

所述第一驱动芯片的第3引脚通过电阻R11连接电源，第6引脚通过电阻R12连接地线，第5引脚分别通过电容C4和电阻R13连接地线，第7引脚连接电源，第1引脚连接地线，第8和4引脚同时连接到所述TEC温度控制芯片的一端；

所述第二驱动芯片的第3引脚通过电阻R15连接电阻R11的接电源端，第6引脚通过电阻R16连接地线，第5引脚通过并联的电容C5和电阻R17连接地线，第7引脚连接电源，第1引脚连接地线，第8和4引脚同时连接到TEC温度控制芯片的另一端。

进一步，所述单片机系统采用双PID串联控制算法。

上述半导体激光器温度控制系统的控制方法，温度采样电路采集到半导体激光器的温度信息后传送给A/D转换器，A/D转换器传输至单片机系统，单片机系统启动温度控制程序通过双PID串联控制算法处理温度信息并输出PWM信号占空比，传递给TEC驱动电路继而产生所需的控制信息驱动TEC温度控制芯片工作，并且经显示模块进行显示。

进一步，通过开机自检后，从单片机系统中的数据处理单元的EEPROM存储芯片读取上次关机时存储的TEC温度控制器芯片的温度，若上次关机时没有存储温度，则读取当前的TEC温度控制芯片的温度，再进入模块初始化，通过键盘设定待控温度x后，启动温度控制程序，温度控制程序读取温度采样电路第一次测量的半导体激光器温度y1，将温度y1与设定温度x进行比较，得到比较误差e1＝x-y1，然后通过PID控制算法输出控制量u1，此时，再次启动温度控制程序第二次测量半导体激光器的温度y2，将温度y2和输出控制量u1进行比较，得到比较误差e2＝u1-y2，然后再次通过PID控制算法输出控制量u2，经控制量u2转换成PWM信号后通过TEC驱动电路控制TEC温度控制芯片工作，最后，经温度采样电路采集的半导体激光器温度y，通过单片机系统在显示模块上显示设定温度x和半导体激光器的温度y。

有益效果：本发明结合单片机控制，利用温度采样电路、TEC驱动电路和双PID串联算法相结合的实现方法，获得高精度快速温度控制系统，具体包括以下优点：

(1)本发明能够实现自动温度的自动采集与控制，采样双PID串联算法大大提高控制精度和效率；

(2)本发明中的控制系统能够实现数据通信、数据处理、系统控制及中断等处理功能；

综上所述，本发明自动化程度高，速度快测量效率高，误差小，操作方便。

附图说明

图1为本发明的系统连接框图；

图2为实施例中温度采集电路示意图；

图3为实施例中TEC驱动电路示意图；

图4为实施例中双PID串联算法流程图；

图5为实施例获得的控温数据图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种半导体激光器温度控制系统，如图1所示，包括温度采样电路100、A/D转换器101、键盘控制102、单片机系统103、报警模块104、显示模块105、TEC驱动电路106、TEC温度控制芯片107和电源模块108。单片机系统103上连接有A/D转换器101、键盘控制102、报警模块104、显示模块105和TEC驱动电路106；温度采样电路100一端连接半导体激光器，另一端连接A/D转换器101，TEC驱动电路106一端连接TEC温度控制芯片107，另一端连接单片机系统103，电源模块为整个系统供电。

其中，单片机系统103包含飞思卡尔单片机MC9S12XS128MAL芯片、时钟电路、复位电路和JIAG结构。报警模块104为无源蜂鸣器模块5V低电平触发发声模块，当半导体激光器的温度超过报警阈值时，该蜂鸣器发出报警声音。TEC温度控制芯片107选用的是半导体制冷片TEC1-12706，A/D转换器采用的是AD公司高精度转换器LTC1859，电源模块108选用的是绿扬YB1732A直流稳压电源。

具体的，如图2所示，温度采样电路100包括电阻R1(10K欧姆)、R2(470欧姆)、R3(82欧姆)、R4(10K热敏电阻)、R5(68欧姆)和R6(50欧姆)、电容C1(10μF)、C2(0.1μF)、C3(10μF)以及放大器芯片，放大器芯片采用的是TI公司的OPA842放大芯片，共有8个引脚。电阻R1的一端连接电源，另一端通过电阻R4连接地线，同时另一端通过电阻R3连接放大器芯片的第2引脚，放大器芯片的第2引脚通过电阻R2连接第6引脚，放大器芯片的第3引脚通过电阻R5连接地线，放大器芯片的第4引脚连接电源，同时第4引脚通过电容C1连接地线，第7引脚连接电源，同时第7引脚通过电容C3接地，第7引脚通过电容C2与第4引脚连接，第6引脚通过电阻R6连接地线，同时，第6引脚连接A/D转换器LTC1859，A/D转换器的另一端连接单片机系统。

如图3所示，TEC驱动电路106中采用的是英飞凌公司的集成高电流半桥驱动芯片BTN7971作为TEC驱动电路的主要驱动芯片，该芯片有16个引脚，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。BTN7971集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。设计的TEC驱动电路如图3所示，该电路采用两片BTN7971构成一个全桥驱动，由于BTN7971是大电流驱动芯片，因此，在单片机控制信号的输出和BTN7971的输入端之间加入了双通道逻辑输出高速光耦HCPL-2630电路起到隔离保护的作用，防止电路出现过流、短路等故障时，大电流流入单片机使单片机损坏。从两个BTN7971输出的两个PWM波的高低电平控制TEC的加热或者制冷，当其中一个BTN7971(IC2)的PWM波电压高于另一个BTN7971(IC1)的PWM波电压时，电流从TEC+流向TEC-，同理也可提供从TEC-流向TEC+的电流，能够为TEC提供双向电流。该电路还包括电阻R7(390欧姆)、R8(390欧姆)、R9(390欧姆)、R10(10K欧姆)、R11(1K欧姆)、R12(10K欧姆)、R13(10K欧姆)、R14(10K欧姆)、R15(10K欧姆)、R16(10K欧姆)、R17(10K欧姆)，电容C4(0.1μF)、C5(0.1μF)。光电耦合器HCPL-2630第2和3引脚连接到单片机系统，第1引脚连接电源，第4引脚通过电阻R7连接电源，第5引脚连接地线，第8引脚连接电源，第6和7引脚分别通过电阻R9和R8连接电源，第6引脚通过电阻R10连接到第一驱动芯片BTN7971的第2引脚，第一驱动芯片BTN7971的第3引脚通过电子R11连接电源，第6引脚通过电阻R12连接地线，第5引脚分别通过电容C4和电阻R13连接地线，第7引脚连接电源，第1引脚连接地线，第8和4引脚同时连接到TEC温度控制芯片的一端；光电耦合器的第7引脚通过电阻R14连接第二驱动芯片BTN7971的第2引脚，第二驱动芯片的第3引脚通过电阻R15连接电阻R11的接电源端，第6引脚通过电阻R16连接地线，第5引脚通过并联的电容C5和电阻R17连接地线，第7引脚连接电源，第1引脚连接地线，第8和4引脚同时连接到TEC温度控制芯片的另一端。

上述半导体激光器的双PID串联控制算法的温度控制方法，温度采样电路采集到半导体激光器的温度信息后传送给A/D转换器，A/D转换器传输至单片机系统，单片机系统启动温度控制系统通过双PID串联控制算法处理温度信息并输出PWM信号占空比，传递给TEC驱动电路继而产生所需的控制信息驱动TEC温度控制芯片工作，并且经显示模块进行显示。

如图4所示，具体的温度控制系统的流程为：通过开机自检后，从单片机系统中的数据处理单元的EEPROM存储芯片中读取上次关机时存储的TEC温度控制器芯片的温度，若上次关机时没有存储温度，则读取当前的TEC温度控制器芯片的温度，再进入模块初始化，通过键盘设置待控温度x后，启动温度控制程序，温度控制程序读取温度采样电路第一次测量的半导体激光器的温度y1，第一次测量的温度y1和设定温度x进行比较，得到比较误差e1＝x-y1，然后通过单片机系统内部数据处理单元采用PID控制算法1(增量PID控制算法)输出控制量u1，此时，再次启动温度控制程序，温度控制程序第二次测量的半导体激光器的温度y2，第二次测量的温度y2和输出控制量u1进行比较，得到比较误差e2＝u1-y2，然后通过单片机系统的数据处理单元采用PID控制算法2(增量PID控制算法)输出控制量u2，经控制量u2转换成PWM信号后驱动TEC温度控制芯片工作，经温度采样电路采集半导体激光器的温度，最后通过单片机系统在显示模块上显示设定的温度x和半导体激光器的温度y。当半导体激光器的温度y超过报警阈值时，蜂鸣器发出报警声音。

本实施例开始时半导体激光器的温度为26.6℃，设定的温度为10℃时，利用单片机的温度控制系统对半导体激光器进行温度控制，半导体激光器的温度与时间的关系如图5所示，可以看出，双PID控制器的调节时间约为60s，系统无超调；系统的误差为±0.05℃。

Claims

1.一种半导体激光器温度控制系统，其特征在于：包括连接半导体激光器的温度采样电路、与温度采样电路相连的A/D转换器、键盘控制、显示模块、报警模块、单片机系统以及相连接的TEC温度控制芯片和TEC驱动电路，所述单片机系统其上连接有A/D转换器、键盘控制、报警模块、显示模块和TEC驱动电路。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于：所述单片机系统为ARM控制器、DSP控制器或普通单片机控制器，所述显示模块为液晶显示或LED显示，所述A/D转换器为普通数模转换器或高精度数模转换器。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于：还包括为整个系统供电的电源模块，所述电源模块为线性稳压电源。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于：所述温度采样电路包括放大器芯片、电源和若干电阻、电容：

5.根据权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于：所述TEC驱动电路包括光电耦合器、第一驱动芯片、第二驱动芯片、电源和若干电阻、电容：

6.根据权利要求1所述的半导体激光器温度控制系统，其特征在于：所述单片机系统采用双PID串联控制算法。

7.如权利要求1～6任意一项所述的半导体激光器温度控制系统的控制方法，其特征在于：温度采样电路采集到半导体激光器的温度信息后传送给A/D转换器，A/D转换器传输至单片机系统，单片机系统启动温度控制程序通过双PID串联控制算法处理温度信息并输出PWM信号占空比，传递给TEC驱动电路继而产生所需的控制信息驱动TEC温度控制芯片工作，并且经显示模块进行显示。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器温度控制系统的控制方法，其特征在于：通过开机自检后，从单片机系统中的数据处理单元的EEPROM存储芯片读取上次关机时存储的TEC温度控制器芯片的温度，若上次关机时没有存储温度，则读取当前的TEC温度控制芯片的温度，再进入模块初始化，通过键盘设定待控温度x后，启动温度控制程序，温度控制程序读取温度采样电路第一次测量的半导体激光器温度y1，将温度y1与设定温度x进行比较，得到比较误差e1＝x-y1，然后通过PID控制算法输出控制量u1，此时，再次启动温度控制程序第二次测量半导体激光器的温度y2，将温度y2和输出控制量u1进行比较，得到比较误差e2＝u1-y2，然后再次通过PID控制算法输出控制量u2，经控制量u2转换成PWM信号后通过TEC驱动电路控制TEC温度控制芯片工作，最后，经温度采样电路采集的半导体激光器温度y，通过单片机系统在显示模块上显示设定温度x和半导体激光器的温度y，当半导体激光器的温度y超过报警阈值时，报警模块进行报警。