基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计

庞慧敏++李林书++周哲海

摘要：本文以STC89C52为主控芯片，用DS18B20实时监控激光器温度变化，半导体制冷器TEC作为执行元件，对温度实时采集和控制，使激光器工作于最佳温度点。实验结果表明：在室温23℃的情况下，激光器的温控范围为-10～50℃控温精度在±0.5℃。

关键词：大功率激光器；温度控制；STC89C52；LCD

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0176-02

1 引言

半導体激光器因体积小、重量轻、效率高等优点，显示出特有应用前景。但温度不稳定使输出功率不稳、波长漂移等，影响了寿命及使用[1]。

国外激光器温度控制器领先的公司有：IXLight，WAVELEN GTH，McShane等[2]。

以IXLight的 LD3700（台式机）为例：由数字器件和模拟器件组成，可任意选择 RTD、热敏电阻、LM335 或 AD590 作为温度传感器；有自校正、自检功能；半导体制冷器具有独立的限流电路；过热保护电路，在温控器失灵时，激光器依旧安全[3]。

国内生产激光器恒温控制器较少，产品温控精度不高，范围较窄[4-5]。

虽然国外产品稳定性好、温控精度较高，但非常昂贵。研究成本低、高稳定度的激光器温控系统具有一定的经济价值和现实意义。

2 系统设计方案

控制系统设计框图如图1所示。

通电后，风扇为激光器散热。通过键盘设置需要控制的温度范围。DS18B20测得激光器的温度反馈给单片机，数据处理后送LCD液晶显示器实时显示。同时单片机通过PWM波控制TEC（ Thermo Electric Cooler）制冷、保温或加热。

2.1 硬件选取和电路实现

2.1.1 温度采集电路

DS18B20是一种数字化单总线器件，与传统的PTC、NTC等热敏电阻相比，它能够直接测出温度，不需要AD转换，直接将数据发送给单片机。具体电路图如图2所示。

2.1.2 温度控制电路

选用的TEC1-01703允许最大电流3A，最高控制温度67℃，采用PWM驱动经L298N实现控制；最高工作电压可达46V；瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

2.2 软件设计

流程如图3所示。初始化后，处理DS18B20收集的温度数据，调用按键子程序设置温度上下限，调用显示子程序将温度值和设置的上下限值显示在LCD上。比较测得温度与设定温度（T0）通过PWM波控制TEC驱动模块对TEC工作。

3 仿真调试与实验结果

温度设置在19℃到21℃之间时，LCD显示实时温度23.2℃，高于设定温度范围，风扇保持转动，TEC热电制冷片进行制冷。几秒钟后，达到设定温度范围。将设置温度调高，TEC进行制热，激光器迅速升温，达到温度设定范围。图4是设定温度区间为19℃到21℃的温控曲线图。实验结果表明：激光器的温控范围为-10～50℃控温精度在±0.5℃。

4 总结

本文对半导体激光器的温控系统进行了详细设计，实验结果表明，该温度控制实现了精度稳定的温度控制。

致谢

项目研究得到了北京信息科技大学“勤信人才”培育计划项目（项目号：QXTCP A201701）的资助，在此表示感谢。

参考文献

[1]全伟，李光慧，陈熙，等. 一体化半导体激光器的ANSYS热仿真及结构设计[J]. 光学精密工程，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，钟奇润，谢康，曹文峰.基于自整定模糊PID算法的LD温度控制系统[J].红外与激光工程，2014，43（10）endprint