基于ARM® Cortex™-M3单片机的激光发射光源的设计

2021-06-30陈玮倢孙晓东陈男

电子测试 2021年5期

陈玮倢，孙晓东，陈男

（黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

激光发生模块对于系统相当于心脏对于人体的地位，为整个系统提供必须的“血液”，而“血液”的质量决定着系统的健康状况。所以对于激光发生模块的研发要求其要具有高稳定性、高输出功率和满足系统要求的输出光谱，做到保证系统高稳定高输出的运行。

本次激光发射模块的设计采用STM32F103C8T6芯片作为主控制芯片。STM32F103C8T6芯片使用高性能的ARM® Cortex-™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。具有高性能、低成本、低功耗的特点。包含2个12位的ADC、 3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、 3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。供电电压2.0V至3.6V。

1 单片机最小系统

如图1所示，构建STM32单片机最小系统，单片机最小系统包含时钟电路，复位电路。

图1 单片机电路图

X1、C15、C16为时钟电路，X1为8Mhz时钟晶振，给单片机提供8Mhz时钟信号；C15、C16协助晶振快速起震，并稳定时钟频率；C17、C19构成复位电路；R18为BOOT0下拉电阻，默认把BOOT0拉低，从STM32单片机内部储存器启动。

C17、C18为3.3V滤波电容，保证STM32单片机供电稳定，P3为SWD接口，用STLINK烧录器，可以连接电脑，实现在线调试，烧写程序。

2 恒温恒功率电路设计

如图2所示，为NTC温度传感器，主要负责检测温度，当温度不同，P6 NTC温度传感器电阻阻值不同，温度传感器和R16构成电阻分压电路，所以温度变化，会导致STM32单片机PA4引脚电压高低变化，当STM32单片机采集PA4引脚的电压发生变化时，即可知道温度数据，C20为滤波电容，提高STM32采集温度精度。

图2 NVT温度传感器

上图为TEC制冷制热驱动电路，可以采用一个24V TEC制冷片或两片12V串联使用，给TEC制冷片施加正向电压，则制冷；给TEC制冷片施加反向电压，制热；所以用到了H桥启动电路，BTS7960为半桥电路，采用两片BTS7960，即可构成全桥驱动，U4、U5为光耦隔离，STM32单片机PB8、PB9两个引脚即可控制输出，当PB8为高，PB9为低，则TEC得到正向电压，当PB8为低，PB9为高，则TEC得到反向电压，当PB8、PB9同时为高或者低，则TEC为0V。

发光二极管并联接在TEC两端，单片机通过对PA4引脚的温度信息反馈，控制PB8、PB9引脚的输出，从而控制TEC驱动电路进行温度控制，实现发光二极管的恒温恒功率控制。

同时，设置了外部USB接口。采用3.3V供电，2、3引脚为数据引脚，采用两个22Ω电阻限流，和STM32单片机PA11 PA12通讯，R13为上拉电阻，用户可以通过USB接口外接控制装置来修改温度参数，控制TEC驱动电路是需要加热还是制冷，直到恒定到用户设定值，实现恒温恒功率控制。

3 触摸屏驱动电路

上图为4.3寸触摸屏驱动电路，采用232通讯协议，U8为232芯片，负责把单片机TTL电平转为232电平，P5为屏幕接口，1、4引脚为直流5V给屏幕供电，2、3引脚为232发射、接收引脚。

图3 TEC驱动电路

图4 触摸屏驱动电路

图5 仿真结构图

C11、C12、C13、C14为电荷泵电容，配合芯片工作；C10为232芯片电源滤波电容，保证232芯片电源供电稳定。

4 仿真设计

如上图5所示，为温度控制仿真图，NTC温度传感器部分采用电位器模拟热敏电阻，通过采集电压来模拟温度变换情况，根据温度值通过芯片控制升温和降温控制电路工作。右下角为两个继电器电路控制发光二极管，发光二极管有一个最合适的工作温度，在合适温度值时，发光二极管的功率最高，所以分别控制升温和降温；单片机控制芯片外接液晶显示屏，实时显示温度。两个按键电路模拟USB接口电路外接控制器，通过按键进行外部设置温度。