一種基于tec的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括溫度傳感器、單片機、TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路和TEC散熱組件，所述TEC散熱組件包括TEC、制冷塊、散熱鋁板和排風(fēng)扇，TEC的冷面和熱面都均勻涂有導(dǎo)熱硅脂，TEC的冷面緊貼制冷塊，TEC的熱面緊貼散熱鋁板，散熱鋁板正下方設(shè)有排風(fēng)扇；所述溫度傳感器一端與半導(dǎo)體激光器接觸，另一端與單片機的輸入輸出引腳連接，所述單片機的輸出端與TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路的一端連接，TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路的另一端緊貼TEC散熱組件的制冷塊；所述TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路的電路構(gòu)成是：三極管Q1的基極與單片機的輸出端連接，單片機的該輸出端同時通過電阻R2與電源端子VCC連接。
【專利說明】
一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及溫度控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)發(fā)展了 50多年，這短短幾十年，半導(dǎo)體激光器各個方面的性能均得到了顯著的提高。半導(dǎo)體激光器作為一種新型的光源，因其具有體積小、重量輕、高效率、低功率驅(qū)動、可直接調(diào)制等一系列優(yōu)點，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于通信、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是半導(dǎo)體激光器由于它的輸出波長、閾值電流、使用壽命、輸出功率等都受溫度的影響，限制了激光器的使用，因此半導(dǎo)體激光器溫度控制對激光器的應(yīng)用起到了很重要的作用。
[0003]目前，市面上的溫控系統(tǒng)主要有兩大形式:開關(guān)控制和大型的工業(yè)溫度控制模塊。利用開關(guān)控制溫度簡單方便、容易操作，但控制的溫度波動大，不穩(wěn)定;而大型的工業(yè)溫度控制精度高，穩(wěn)定性好，但價格昂貴、且其龐大的體積不適合應(yīng)用到半導(dǎo)體激光器等小型器件上。雖然成品化的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)在售，但價格都比較貴，，基于這樣的情況，一種低價、高穩(wěn)定度的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的研制具有一定的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。
[0004]CN104331102A公開了一種“基于TEC的激光器溫度控制電路”，該控制電路使用了NTC熱敏電阻作為溫度傳感器來測量溫度信號，使用MAXM公司的MAX1978專用溫度控制芯片，但該芯片價格昂貴，且NTC的設(shè)計電路復(fù)雜，測量結(jié)果溫度誤差較大，此外，該專利沒有對TEC的熱端及時散熱，使得溫控效果較差。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型擬解決的技術(shù)問題是，提供一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)采用PWM功率驅(qū)動電路驅(qū)動TEC，利用場效應(yīng)管的開關(guān)特性，通過調(diào)整PWM脈寬信號的占空比，可以調(diào)整TEC輸出電流的大小。同時能夠及時將熱端的熱量散出，以達到對半導(dǎo)體激光器的溫度控制，該溫控系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，低價且穩(wěn)定，控制精度較高，尤其適用于半導(dǎo)體激光器等小型器件的溫控中。
[0006]本實用新型解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:提供一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括溫度傳感器、單片機、TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路和TEC散熱組件，所述TEC散熱組件包括TEC、制冷塊、散熱鋁板和排風(fēng)扇，TEC的冷面和熱面都均勻涂有導(dǎo)熱硅脂，TEC的冷面緊貼制冷塊，TEC的熱面緊貼散熱鋁板，散熱鋁板正下方設(shè)有排風(fēng)扇；
[0007]所述溫度傳感器一端與半導(dǎo)體激光器接觸，另一端與單片機的輸入輸出引腳連接，所述單片機的輸出端與TEC數(shù)字P麗功率驅(qū)動電路的一端連接，TEC數(shù)字P麗功率驅(qū)動電路的另一端與TEC散熱組件的TEC接線端子連接；
[0008]所述TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路的電路構(gòu)成是:三極管Ql的基極與單片機的輸出端連接，單片機的該輸出端同時通過電阻R2與電源端子VCC連接，三極管Ql的集電極分別與電阻R3的一端、電阻R4的一端連接，電阻R3的另一端連接電源端子VCC，三極管Ql的發(fā)射極接到數(shù)字地GND;電阻R4的另一端同時與三極管Q2和三極管Q3的基極連接，三極管Q2的集電極通過電阻R5接到電源端子VCC，三極管Q2的發(fā)射極與三極管Q3的發(fā)射極相連，三極管Q3的集電極接到數(shù)字地GND;三極管Q2和三極管Q3的發(fā)射極共同連到MOS管Q4的源極，MOS管Q4的柵極連接極性電容C4的負極和TEC接線端子的負極，極性電容C4的正極分別與電源端子VCC和TEC接線端子的正極連接;MOS管Q4的漏極接到數(shù)字地GND。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0010]I)傳統(tǒng)激光器大多采用線性模式的TEC控制器，但功率效率低、控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制的“死區(qū)”問題。本實用新型采用TEC數(shù)字HVM功率驅(qū)動電路來驅(qū)動TEC，為控溫執(zhí)行器件TEC提供大小精密可調(diào)的驅(qū)動電流，相對于線性驅(qū)動模式，功耗小、散熱少、大大提高了電源效率。而且相對于采用集成溫控芯片MAX1978相比，大大減少了成本。
[0011]2)本實用新型采用美國達拉斯(Dallas)公司的單線數(shù)字式溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器，DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，以供單片機處理;與熱敏電阻相比省略了把溫度對應(yīng)的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成微控制器可讀的數(shù)字信號的過程，這樣有利于節(jié)省硬件開支，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單。
[0012]3)本實用新型中單片機采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機STC12C5410AD，是高速/低功耗/抗干擾強的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍，另外含有4路PffM，為本實用新型提供了占空比可調(diào)的PffM輸出，省去了繁瑣的PWM產(chǎn)生電路。
[0013]4)由于溫度控制系統(tǒng)具有滯后性、時變性和非線性的特征，若采用常規(guī)的線性控制理論，要達到滿意的控制效果異常困難。本實用新型采用PID算法控制半導(dǎo)體激光器的溫度，通過增量式PID算法求出控制增量，控制HVM脈寬信號的頻率，進而控制場效應(yīng)管的通斷，從而控制TEC上的電流，最終實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器溫度的有效控制。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例的單片機2的外圍電路連接示意圖；
[0016]圖3為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例溫度傳感器I的電路連接不意圖；
[0017]圖4為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例的TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3的電路連接示意圖；
[0018]圖5為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例的TEC散熱組件4的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖6為本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)一種實施例的單片機中PID算法的流程圖。
[0020]圖中，1-溫度傳感器、2-單片機、3-TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路、4-TEC散熱組件、5-半導(dǎo)體激光器、44-TEC、41 -制冷塊、42-散熱鋁板、43-排風(fēng)扇。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合實施例及附圖進一步介紹本實用新型，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。
[0022]本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)(簡稱溫控系統(tǒng)或系統(tǒng)，參見圖1-5)包括溫度傳感器1、單片機2、TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3和TEC散熱組件4，所述TEC散熱組件4(參見圖5)包括TEC 44、制冷塊41、散熱鋁板42和排風(fēng)扇43，TEC44的冷面和熱面都均勻涂有導(dǎo)熱硅脂，TEC 44的冷面緊貼制冷塊41，TEC 44的熱面緊貼散熱鋁板42，散熱鋁板42正下方設(shè)有排風(fēng)扇43，TEC產(chǎn)生的熱量將通過散熱鋁板和排風(fēng)扇予以散播，可以顯著增加制冷效果；
[0023]所述溫度傳感器I一端與半導(dǎo)體激光器5接觸，另一端與單片機2的輸入輸出引腳連接，所述單片機2的型號為STC12C5410AD，單片機內(nèi)存有PID算法，單片機2的輸出端與TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路3的一端連接，TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3的另一端緊貼TEC散熱組件4的制冷塊41 ；
[0024]所述TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3(參見圖4)的電路構(gòu)成是:三極管Ql的基極與單片機2的輸出端P3.5 口連接，單片機的P3.5 口產(chǎn)生PffM輸出，單片機2的該輸出端同時通過電阻R2與電源端子VCC連接，將P3.5 口采用弱上拉，用5.1K Ω的電阻R2上拉到VCC，為三極管Ql的基極提供較大的導(dǎo)通電流;三極管Ql的集電極分別與電阻R3的一端、電阻R4的一端連接，電阻R3的另一端連接電源端子VCC，三極管QI的發(fā)射極接到數(shù)字地GND;電阻R4的另一端同時與三極管Q2和三極管Q3的基極連接，三極管Q2的集電極通過電阻R5接到電源端子VCC，三極管Q2的發(fā)射極與三極管Q3的發(fā)射極相連，三極管Q3的集電極接到數(shù)字地GND;三極管Q2和三極管Q3的發(fā)射極共同連到MOS管(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)Q4的源極，MOS管Q4的柵極連接極性電容C4的負極和TEC接線端子的負極，極性電容C4的正極分別與電源端子VCC和TEC接線端子的正極連接，TEC接到極性電容C4的兩端，通過控制MOS管Q4的通斷，從而控制TEC的制冷電流大小;MOS管Q4的漏極接到數(shù)字地GND。
[0025]具體地，本實用新型中三極管Q1、三極管Q2和三極管Q3的型號均為2N3904，M0S管Q4的型號是50N06，電阻R2的阻值為5.1ΚΩ，電阻R3的阻值為240 Ω，電阻R4的阻值為1ΚΩ，電阻R5的阻值為240 Ω，極性電容C4的規(guī)格為4700uF/35V。
[0026]本實用新型溫控系統(tǒng)中單片機2的外圍電路構(gòu)成(參見圖2)是:單片機采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機STC12C5410AD，用Ul表示，單片機的復(fù)位RST引腳接極性電容C3的負極，極性電容C3的正極接電源端子VCC，電容C3的負極通過電阻Rl接到數(shù)字地GND，以使單片機能夠產(chǎn)生復(fù)位;單片機的XTAL2腳、XTALl腳分別接到晶振Xl的兩端，并分別通過電容Cl、電容C2接到數(shù)字地，以此構(gòu)成晶振電路，為單片機提供時鐘源;單片機的GND腳接到數(shù)字地;單片機的VDD腳接到電源端子VCC，為單片機供電；單片機的PWM1/T1/P3.5腳產(chǎn)生PffM輸出，連接TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3;單片機的輸入輸出引腳P2.6 口接溫度傳感器I的信號線。其中，電容Cl和電容C2的電容量均為30pF，電阻Rl的阻值為1K Ω，晶振Xl的大小為11.05921取，極性電容03的電容量為10沾/35￥。
[0027]本實用新型溫控系統(tǒng)中溫度傳感器I采用美國達拉斯(Dallas)公司的單線數(shù)字式溫度傳感器芯片DS18B20，其電路構(gòu)成(參見圖3)是:溫度傳感器I用U2表示，溫度傳感器的GND腳接數(shù)字地GND，信號端DQ腳接單片機的輸入輸出引腳P2.6 口，同時DS18B20的信號端DQ腳通過電阻R6接到電源端子VCC，溫度傳感器的VCC腳接到電源端子VCC。其中，電阻R6的阻值為4.7K Ω，通過對單片機的輸入輸出引腳P2.6 口編程即可實現(xiàn)對溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集。
[0028]本實用新型基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)中單片機內(nèi)的PID算法流程(參見圖6)是:首先初始化PID的系數(shù):比例系數(shù)Pset、積分系數(shù)Iset、微分系數(shù)Dset，對PID系數(shù)進行預(yù)設(shè);然后溫度傳感器采集被控對象(半導(dǎo)體激光器)的溫度，并從單片機中提取溫度采集數(shù)據(jù)Temptest，并將溫度采集數(shù)據(jù)Temptest與預(yù)設(shè)溫度Tset作差，求出偏差Et，Et =Temptest-Tset，通過增量式PID算法計算出控制增量Outvalue，將控制增量(輸出量)輸出給HVM脈寬信號，控制PWM脈寬信號的占空比，進而通過控制TEC數(shù)字HVM功率驅(qū)動電路控制被控對象的溫度;此外，將輸出量輸出給PWM脈寬信號，還要更新偏差Et，為下一時刻做準備，并判斷采樣時間是否達到，若達到，返回步驟“提取溫度采集數(shù)據(jù)Temptest”，繼續(xù)循環(huán)；若未達到，等待采樣時間，繼續(xù)判斷采樣時間是否達到。
[0029]其中增量式PID算法的公式為:Out value = Pse t*Et+I set* (Et-Et I)+Dset* (Et_2*Et 1+Et2) Wutvalue為通過增量式PID算法計算出的控制增量，Pset、Iset、Dset分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，Et為本次采樣的偏差，Etl為上一次采樣的偏差，Et2為上兩次的米樣偏差。
[0030]本實用新型中溫度傳感器I采集半導(dǎo)體激光器5的溫度，半導(dǎo)體激光器5為被控對象，溫度傳感器將采集的溫度信號送入單片機2;單片機采用PID算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，為TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3產(chǎn)生占空比可調(diào)的PffM脈寬信號輸出，TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路3產(chǎn)生的熱量經(jīng)由TEC散熱組件4及時排除，以達到更好的制冷效果。
[0031]本實用新型溫控系統(tǒng)的控溫過程是:采用TEC對半導(dǎo)體激光器(LD)5進行制冷或加熱，溫度傳感器I采集半導(dǎo)體激光器(LD)的溫度，單片機2將采樣溫度與設(shè)置溫度之間的差值作為輸入變量，采用PID算法對其計算，產(chǎn)生相應(yīng)的控制增量，控制增量經(jīng)由TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路3產(chǎn)生相應(yīng)的電流，驅(qū)動TEC，對半導(dǎo)體激光器(LD)5進行加熱或制冷，同時半導(dǎo)體激光器(LD)的溫度又被溫度傳感器反饋到單片機2中，從而調(diào)整TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路3的輸出電流的大小，直到半導(dǎo)體激光器(LD)的溫度穩(wěn)定在設(shè)置的溫度點。
[0032]本實用新型所使用的元器件均可商購獲得，未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括溫度傳感器、單片機、TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路和TEC散熱組件，所述TEC散熱組件包括TEC、制冷塊、散熱鋁板和排風(fēng)扇，TEC的冷面和熱面都均勻涂有導(dǎo)熱硅脂，TEC的冷面緊貼制冷塊，TEC的熱面緊貼散熱鋁板，散熱鋁板正下方設(shè)有排風(fēng)扇； 所述溫度傳感器一端與半導(dǎo)體激光器接觸，另一端與單片機的輸入輸出引腳連接，所述單片機的輸出端與TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路的一端連接，TEC數(shù)字PffM功率驅(qū)動電路的另一端與TEC散熱組件的TEC接線端子連接； 所述TEC數(shù)字PWM功率驅(qū)動電路的電路構(gòu)成是:三極管Ql的基極與單片機的輸出端連接，單片機的該輸出端同時通過電阻R2與電源端子VCC連接，三極管Ql的集電極分別與電阻R3的一端、電阻R4的一端連接，電阻R3的另一端連接電源端子VCC，三極管Ql的發(fā)射極接到數(shù)字地GND;電阻R4的另一端同時與三極管Q2和三極管Q3的基極連接，三極管Q2的集電極通過電阻R5接到電源端子VCC，三極管Q2的發(fā)射極與三極管Q3的發(fā)射極相連，三極管Q3的集電極接到數(shù)字地GND;三極管Q2和三極管Q3的發(fā)射極共同連到MOS管Q4的源極，MOS管Q4的柵極連接極性電容C4的負極和TEC接線端子的負極，極性電容C4的正極分別與電源端子VCC和TEC接線端子的正極連接;MOS管Q4的漏極接到數(shù)字地GND。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述三極管Q1、三極管Q2和三極管Q3的型號均為2N3904，M0S管Q4的型號是50N06，電阻R2的阻值為5.1ΚΩ，電阻R3的阻值為240 Ω，電阻R4的阻值為1ΚΩ，電阻R5的阻值為240 Ω，極性電容C4的規(guī)格為4700uF/35V。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TEC的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述溫度傳感器采用美國達拉斯公司的單線數(shù)字式溫度傳感器芯片DS18B20，所述單片機的型號為STC12C5410AD。
【文檔編號】G05D23/20GK205665597SQ201620454993
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】劉新福, 伏娜, 孫晶, 葛帥
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)