CN1971468A - 基于单片机的激光器管芯温度控制装置及其控制流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的激光器管芯温度控制装置及其控制流程，涉及一种激光器管芯温度控制装置及单片机程序设计。本发明由单片机(1)、模数转换器(2)、数模转换器(3)、驱动器(4)、激光器(5)、温度传感器(6)、制冷器(7)组成；或在激光器(5)附近设置有温度传感器(6)和制冷器(7)，或在激光器(5)内部集成了温度传感器(6)和制冷器(7)；温度传感器(6)、模数转换器(2)、单片机(1)、数模转换器(3)、驱动器(4)、制冷器(7)依次连接；驱动器(4)和模数转换器(2)连接。本发明由单片机智能控制，采用数字PID算法，控制精确度高；采用集成芯片，设计简单，电路简洁；成本低廉。

Description

基于单片机的激光器管芯温度控制装置及其控制流程

技术领域

本说明涉及一种激光器管芯温度控制装置及单片机程序设计，尤其涉及一种基于单片机的激光器管芯温度控制装置及其控制流程。

背景技术

在光纤传输DWDM系统中，为了保证激光器发射的光波长稳定，需要激光器管芯温度在工作过程中保持不变，所以很多激光器内部集成了制冷器和温度传感器，采用外部Tec Driver输出制冷器驱动电流，达到升温降温的目的。以往通常做法是采用复杂的控制电路根据温度控制致冷电流，这种做法电路复杂，控制精确度不高，工作温度范围也有限。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

发明内容

本说明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于单片机的激光器管芯温度控制装置及其控制流程，实现电路简洁，控制效果好，精确度高，应用方便。

本说明的目的是这样实现的：

一、硬件结构：

如图1，本说明由单片机1、模数转换器(ADC)2、数模转换器(DAC)3、驱动器(Tec Driver)4、激光器5、温度传感器6、制冷器7组成；

或在激光器5附近设置有温度传感器6和制冷器7，或在激光器5内部集成温度传感器6和制冷器7；

温度传感器6、模数转换器2、单片机1、数模转换器3、驱动器4、制冷器7依次连接；

驱动器4和模数转换器2连接。

二、工作原理

温度传感器6将温度转化为电压信号送到模数转换器2，模数转换器2将电压量转化为数字量，单片机1读取模数转换器2转化的数字量，经过计算可以得到激光器1的管芯温度；然后通过数字PID算法计算出相应的驱动器4的控制量；单片机1连接数模转换器3，使其输出此控制量控制驱动器4输出相应的致冷电流给制冷器7，从而达到保持激光器5的管芯温度恒定的效果；驱动器4将此时的致冷电流大小通过模数转换器2上报给单片机1，单片机1可以知道此时的致冷电流大小以防止致冷电流过大，保证激光器1安全工作。

三、数字PID算法

模拟系统中，PID算法表达式为：

$P\left(t\right)=\mathrm{Kp}\·[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{Ti}}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\·\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{d\left(t\right)}]$

由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此首先要进行离散化处理，得到算式为：

$P\left(k\right)=\mathrm{Kp}\·\{E\left(k\right)+\frac{T}{\mathrm{Ti}}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right)+\frac{\mathrm{Td}}{T}[E\left(k\right)-E(k-1)]\}$ (T为采样周期)

设Ki＝Kp*T/Ti，Kd＝Kp*Td/T。

比例项：Pp(k)＝Pp(k)＝Kp·E(k)

积分项： $\mathrm{Pi}\left(k\right)=\mathrm{Ki}\·\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right)=\mathrm{Ki}\·E\left(k\right)+\mathrm{Ki}\·\underset{j=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right)=\mathrm{Ki}\·E\left(k\right)+\mathrm{Pi}(k-1)$

微分项：Pd(k)＝Kd·[E(k)-E(k-1)]

即为数字PID的算法，其中Kp，Ki，Kd为关键3个参数。运用于本系统，则P(k)为每次需要设置的致冷电流值，E(k)＝M(k)-R，E(k)为测量温度与设定温度的差值，M(k)为此次测量温度值，R为预设需要达到的温度值。通过实验得到达到理想控制状态的参数值(Kp，Ki.Kd)，只需设定好稳定时的温度值即可实现温度的稳定控制。

四、控制流程

如图2，控制流程分三个部分：主程序部分，PID控制部分和定时器中断服务部分。

1、主程序

如图2.1，主程序依次为：开始A，初始化配置B，ADC标志清零并计时器中断C，ADC标志置位D，通过ADC测量温度电压，并计算出温度值E，PID控制F，设置DAC G，通过ADC测量制冷电流反馈值H，清ADC标志I；

详细地说，开始A，对单片机进行初始化配置B，包括时钟、端口、定时器等，并对一些变量赋值，如PID控制的几个参数，积分项初值等；然后清除ADC标志位，并允许计时器中断C；进入主要循环体，检查ADC标志是否置位D，如果置位，则通过ADC测量此时温度电压值，并根据温度与电压的对应关系计算出当前温度值E，然后采用PID控制算法F，得到需要设置的DAC电压值，设置到DAC的输出G；设置完成后，通过ADC测量此时制冷电流的反馈值H，防止制冷电流超过安全范围；最后清除ADC标志I，一次采样循环完成。

2、PID控制

如图2.2，PID控制程序的输入为温度值，输出为DAC控制量；

PID控制依次为：计算偏差F1，根据PID公式算出控制量F2，控制量超过最大值F3，控制量设为最大值F4，控制量小于最小值F5，控制量设为最小值F6，最后输出控制量F7。

详细地说，首先对输入的温度值求出与上次温度值的偏差量F1，然后根据PID算式求出此时的控制量F2；比较控制量是否超过最大值F3，如果超过最大值，则控制量设为最大值F4；然后比较控制量是否小于最小值F5，如果小于最小值则设为最小值F6。最后输出控制量F7。

3、定时器中断

如图2.3，定时器中断依次为：清中断标志S1，ADC标志置位S2，定时器复位S3，结束S4。

详细地说，定时器中断服务完成对ADC标志的置位，表示采用周期到了，可以进行下一次采样。中断程序在中断允许的情况下，按照预先设定的定时周期发生中断请求，使CPU进入中断服务程序。进入中断服务程序后，首先清除中断标志S1，然后将ADC标志置位S2，并将定时器的计数器复位S3，然后退出中断服务程序S4。

运用此方法的时候，为了达到比较好的控制效果，关键是PID的控制参数的设定，可以根据试验，不断改变采样周期(即定时器周期)，比例系数(Pk)，积分系数(Pi)以及微分系数(Pd)得到比较理想的控制效果。

本说明具有下列优点和积极效果：

1、由单片机智能控制，采用数字PID算法，控制精确度高。

2、采用集成芯片，设计简单，电路简洁。

3、成本低廉。

附图说明

图1-本控制装置结构框图；

图2.1-本控制程序的主流程图；

图2.2-本控制程序的PID控制流程图；

图2.3-本控制程序的定时器中断流程图。

其中：

1-单片机；

2-模数转换器(ADC)；

3-数模转换器(DAC)；

4-驱动器(Tee Driver)；

5-激光器；

6-温度传感器；

7-制冷器。

具体实施方式

一、各部件

1、单片机1

单片机1选用Silabs的C8051F330。

2、模数转换器2

模数转换器2选用C8051F330内部集成的10位精度ADC。

3、数模转换器3

数模转换器3选用C8051F330内部集成的10位精度电流输出型DAC。

4、制冷器驱动器4

制冷器驱动器4选用Maxim的MAX8521。

5、激光器5

激光器5选用Apogee的TLA10X。

6、温度传感器5

TLA10X内部集成了NTC型热敏电阻，作为温度传感器。

二、集成化

由于目前很多单片机内部都集成ADC和DAC，所以上述的几个功能模块可以简单几个芯片集成，使电路更加简洁，提高了可靠性。

Claims (2)

1、一种基于单片机的激光器管芯温度控制装置，其特征在于：

由单片机(1)、模数转换器(2)、数模转换器(3)、驱动器(4)、激光器(5)、温度传感器(6)、制冷器(7)组成；

或在激光器(5)附近设置有温度传感器(6)和制冷器(7)，或在激光器(5)内部集成了温度传感器(6)和制冷器(7)；

温度传感器(6)、模数转换器(2)、单片机(1)、数模转换器(3)、驱动器(4)、制冷器(7)依次连接；

驱动器(4)和模数转换器(2)连接。

2、一种基于单片机的激光器管芯温度控制装置的控制流程，其特征在于：

①主程序依次为：开始(A)，初始化配置(B)，ADC标志清零并计时器中断(C)，ADC标志置位(D)，通过ADC测量温度电压并计算出温度值(E)，PID控制(F)，设置DAC(G)，通过ADC测量制冷电流反馈值(H)，清ADC标志(I)；

②PID控制程序的输入为温度值，输出为DAC控制量；

PID控制依次为：计算偏差(F1)，根据PID公式算出控制量(F2)，控制量超过最大值(F3)，控制量设为最大值(F4)，控制量小于最小值(F5)，控制量设为最小值(F6)，最后输出控制量(F7)；

③定时器中断依次为：清中断标志(S1)，ADC标志置位(S2)，定时器复位(S3)，结束(S4)。

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