自动化毕业设计激光器驱动与控制电路设计.docx

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自动化毕业设计激光器驱动与控制电路设计

激光器驱动与控制电路设计

摘要

目前，半导体激光器以其转换效率高、体积小，质量轻，可靠性高，能直接调制以及能与其他半导体器件集成等优势近年来发展一直很迅猛，已经广泛应用于通信、光学数据存储、固体激光器泵浦、材料加工精密测量、生物医疗等领域。

本次设计任务要求设计一款电路系统来完成激光器的驱动、控制、温度监控，最终实现让激光器输出稳定的光功率，并且功率可以在0-8W内调节。

本次设计的硬件部分是采用单片机对温度测温模块检测、监控，利用单片机完成人机交互，通过单片机控制激光器电源。

软件设计部分有A\D、D\A硬件控制，包括对数码管、按键等驱动，同时进行功率采集，并采用PID算法保证快速稳定响应输入功率。

此次论文包括了激光器原理介绍，控制器原理介绍，电源测试数据，温度模块测试数据，激光器功率测试数据，以及原理图设计，PCB设计。

关键词：

半导体激光器单片机TECPID

Thesystemoflaserdriverandcontroller

ABSTRACT

Atpresent,semiconductorlaser，reliesonitshighconversionefficiency,smallvolume,lightquality,highreliabilityandonbeingdirectlymodulatedandintegratedwithothersemiconductordevices，hasdevelopedrapidly.Andithasbeenwidelyusedincommunication,opticaldatastorage,solidlaserpumps,materialprocessingprecisionmeasurement,biologicalandmedicaltreatment,etc.Thisdesignrequiresacircuitsystemdesignedtocompletethedriverandcontroloflaser,temperaturecontrol,andfinallyachievethestabilityofoutputpowertolaserlight,andcanadjustpowersthatrangedfromzerotoeightwatt.ThedesignofthehardwareistocontrolthepowersupplyoflaserbytheSingleChipMicyococheckandmonitorthemoduleofmeasuringtemperature,andbythemoduleofSingleChipMicyococontrolman-machineinteractiveinterface.AndthesoftwareinvolvesAD,DAhardwarecontrol,includingthedrivesofnixietube,keystokesandsoon.Toguaranteetheresponsepowerinputarestableandrapid,forinstance,thecontroloflaserpowersupply,thecollectionofsoftwarepowerandcomparingwiththeinputpower（StabilifypowerwithPIDalgorithm）.

Thispaperincludesthetestdatasofpower,TECtemperaturemoduleandopticalmaserpower,andtheelementarydiagram,PCBappendix.

Keywords：

SemiconductorlasersSCMTECPID

1引言……………………………………………………………………5

1.1半导体激光器的应用与发展………………………………………5

1.2设计任务与目标……………………………………………………5

2激光器…………………………………………………………………7

2.1激光器结构…………………………………………………………7

2.2激光器使用注意事项………………………………………………9

2.3激光器应用…………………………………………………………10

3电路控制………………………………………………………………11

3.1控制电路总体结构…………………………………………………11

3.1.1电路组成部分……………………………………………………11

3.1.2工作过程及关键问题……………………………………………12

3.2温度控制……………………………………………………………12

3.2.1温度控制简介……………………………………………………12

3.2.2温度控制原理……………………………………………………13

3.3功率稳定原理………………………………………………………15

3.3.1功率稳定PID算法………………………………………………15

3.3.2功率稳定电路实现………………………………………………18

3.4人机交互……………………………………………………………18

3.4.1数码管……………………………………………………………18

3.4.2按键与指示灯……………………………………………………19

3.5软件实现方案……………………………………………………19

3.5.1总体工作流程图………………………………………………19

3.5.2关键问题分析…………………………………………………21

4驱动电源……………………………………………………………22

4.1电源原理…………………………………………………………22

4.2电源控制…………………………………………………………22

4.3保护措施…………………………………………………………23

5实验数据与结论……………………………………………………25

5.1温度控制数据……………………………………………………25

5.2电源输出测试……………………………………………………26

6参考文献……………………………………………………………28

附录……………………………………………………………………29

谢辞…………………………………………………………………31

1引言

1.1半导体激光器的应用与发展

随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。

由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点，广泛应用于民用生产和军事等领域。

近年来，国外大功率半导体激光器的研究进展非常迅速，单条最大连续输出功率已经大于600W，最高电光转换效率高达72％，单条40-120W已经商品化。

相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也取得了很大的进展。

国内大功率半导体激光器研究及应用情况主要从大功率半导体激光器外延片结构、腔面光学膜、器件封装、器件可靠性、光束整形与耦合以及器件应用等几个方面。

半导体激光器又称激光二极管（LD）。

进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱（QW）和应变量子阱（SL-QW）等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。

于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。

半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。

它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。

并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。

由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

半导体激光器驱动与控制电路是高功率半导体激光系统的关键技术。

本课题将研发体积小、高效率的高功率半导体激光器驱动与控制电路，具有好的散热性、高的工作和功率输出稳定性。

1.2设计任务与目标

本次任务是要设计一款便携式绿光激光器，可对指纹照明，可用于刑侦工作，其发光波长为532nm。

为了成功完成此次课题任务，应该进行各种理论研究，对实际问题进行定性定量分析，对未知错误或未知情况作充分准备和估计。

此外为使实验室内研究成果成为市场上的产品，应该进行多方面测试，例如疲劳测试，安全测试，容错测试，功能性测试，指标测试等。

具体的基本任务要求是首先熟悉半导体激光器工作特性，熟悉半导体激光器驱动与控制电路工作原理，完成半导体激光器驱动与控制电路硬件设计和制作，应该详细设计原理图、PCB板图。

调试并焊接PCB与原件，通过核心板对电源控制、对TEC控制，得出测试数据。

检测激光器的功率得出数据。

控制板有人机交互用的按键和数码显示管，分别用来设定光功率和显示当前功率。

核心板载有控制软件，包括AD驱动，DA驱动，按键、数码管控制，功率稳定PID算法。

此次课题任务可以实现激光器产生稳定功率的激光，手动调节光功率，并且有自我保护的功能。

本次任务提出电源工作实验数据，TEC温度模块实验数据。

完成毕业设计论文。

2激光器

2.1激光器结构

激光本质上是相干辐射与物质相互作用的产物，而产生激光辐射的物质可以是原子系统、分子系统，也可以是凝聚态物质，如半导体材料。

简单的来说，原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。

然后电子可以从低能量轨道跃迁至高能量轨道。

电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。

在此过程中，电子以光子（一种光线粒子）的形式释放能量。

您会发现，原子不断地以光子形式释出能量。

例如，烤箱中的加热元件变成亮红色，其中的红色就是由于原子受热激发而释放的红色光子。

观看电视屏幕上的图像时，您看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。

任何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯，都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。

激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。

“Laser”是lightamplificationbystimulatedemissionofradiation（受激辐射光放大）的简称。

这一名称简要的描述了激光器的工作原理。

虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。

激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。

一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。

而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。

一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。

这就提高了粒子数反转的程度。

粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。

激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。

受激电子所含能量比低层级电子的能量高。

就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。

释放的能量转化为光子（光能）的形式。

发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出光子时电子的能量状态。

两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。

激光和普通光区别很大。

它具有以下特性：

发射的激光具有单色性。

激光含有一种特定波长（即特定颜色）的光线。

光线的波长由电子回到低能轨道时释放的能量决定。

发射的激光具有良好的相干性。

激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。

也就是说，所有光子的波前完全一致。

激光具有良好的指向性。

激光光束紧密、集中且能量极高。

相反，手电筒发出的光线朝多个方向散射，光线能量弱，集中度低。

为了实现以上三个特性，需要经过一个称为受激发射的过程。

这种现象不可能在普通手电筒中出现，因为它的原子是随机释放光子。

而受激发射时，原子是有组织地发射光子。

原子释放的光子具有特定的波长，此波长取决于激发态和基态之间的能量差。

如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子，且该原子拥有处于相同激发状态的电子，即可引起受激发射。

第一个光子可以激发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子）按与进入光子相同的频率和方向振荡。

激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。

特定波长和相位的光子通过两端反光镜的反射，在激光介质之间来回穿行。

在此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子，随后将产生“瀑布”效应，进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。

激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他光线则可以穿透。

穿透的光线就是激光。

半导体激光打标机激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:

（1）增益条件：

建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布。

在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。

当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

本次任务所使用的激光器叫做opticallypumpedsemiconductorlaser,即光学泵浦半导体激光器。

该激光器是一个小型的具有鲁棒性的高功率可视激光器，并采用光泵浦技术，该技术是相干公司的专利。

这种多模激光器专门应用于中级功率光束照明。

该激光器由用户提供电源，低电压高电流可使其产生激光光束。

该装置可以输出高功率连续工作上千小时。

激光器的散热问题要通过使用者来提供合适的热沉来解决。

在驱动电流较低时，激光器没有得到足够的增益不能激发出光，随着驱动电流的增加，激光器工作电流会达到一个阈值，该阈值可以以达到激光器的发光要求。

该电流便是额定阈值电流。

继续增加驱动电流会提升激光器发光功率，这个功率时就是典型的工作功率。

虽然激光器发光机理是连续波发光方式，但是本激光器也可以以其它模式发光。

给于激光器一定的工作电流，激光器调制速度的限制因素是调剂二极管电流，该现象已经被实验证实，由于电源供电和激光头之间电线的电感，调制范围就定在了5-10的范围内。

总的来说，半导体器件想要稳定高效的工作，必须保持在工作温度，因此本激光器必须要格外注意和处理好温度的控制，必须使用良好散热的热沉，并且要注意外部系统的热量进入激光器，激光器内部的倍频晶体和激光滤波片需要用TEC来控制温度。

本次设计的任务无需关心激光器本身的工作原理，我们使用时只需知道其工作方式，使用方法及注意事项即可。

激光器有驱动电流输入正负极，还有就是12针的控制接插头，

12针接头划分

（1）测温电阻公共端（BRF和LBO）

（2）LBO测温电阻

（3）保留

（4）外壳测温电阻

（5）外壳测温电阻

（6）光电池负极

（7）光电池正极图2-1针脚排列

（8）BRF测温电阻

（9）BRFTEC＋

（10）BRFTEC－图2-2接插头

（11）LBOTEC＋

（12）LBOTEC－

2.2激光器使用注意事项

激光器设备昂贵，因此使用时要注意保护激光器，激光器所产生的功率较大，因此实验时也要注意自我保护。

首先应特别注意电器连接，激光二极管的正极与外壳相连，该激光器可以被静电放电毁坏。

在操作该设备时，必须使用适当的接地措施，如个人的接地手环。

防静电拖鞋和手套，不可以直接用手触摸。

激光器工作时会产生大量热量，要配备良好散热工作环境，比如加风扇，加热沉，实施制冷手段。

为了正确地操作该激光器，应当保证热沉具有足够的散热能力和适当的热阻。

使用不足够强的热沉会导致设备损坏。

目视激光器的安装表面，保证激光器在整个基底上都可以保证与热沉之间的良好接触。

如果不能够做到良好的热接触，将导致设备损坏。

在实验过程中要注意激光器外壳的电绝缘。

否则可能使设备由于不注意的电冲击而损坏。

在电安装的过程中要使用短路夹，否则可能会损坏设备。

操作激光器时要佩戴激光护目镜。

在干燥的环境中使用激光器时设备可能会因为凝露而损坏。

注意避免激光反射回设备内，否则会损坏设备。

超过3V的反向偏压会导致设备损坏。

超过55A的正向电涌，即便是只有毫秒量级，也会导致设备损坏。

超过25A的负向电流冲击会损坏设备，超过光学输出功率技术规范推荐值将加速设备老化，并可能损坏设备。

在取掉短路夹的过程中要使用适当的接地措施。

保证由输出窗口上取下保护盖，否则可能会将其融化，并永久性损坏输出窗口。

激光器的光输出会导致眼睛失明，要注意反射光，使用护目镜。

保证输出光射到适当的位置。

如果使用通用实验室电源，不要在最大电流的情况下开关设备。

所导致的电冲击会损坏设备，如果使用通用实验室电源，在所有的开关状态中要使用短路夹。

不要将供电电压超过5V，更高的电压会损坏设备。

以上所讲安全措施是必须要在实验时注意，否则任何不合适的做法都有可能造成做重大经济损失。

2.3激光器应用

以上所介绍为本次设计使用的激光器的基本概况。

本次设计内容主要是围绕该激光器设计一款用于指纹照明的产品。

设计的内容是如何研发出更有效的驱动电路和更人性化的控制，要整体考虑将来设备的体积、功耗、工作环境等实际问题。

本次设计包括对激光器的驱动设计，利用单片机对激光器作简单控制。

并完成电路设计，硬件搭建，软件调试等工作。

3电路控制

3.1控制电路总体结构

3.1.1电路组成部分

硬件总体特征就是以主控CPU板为核心，配有多路输入输出口和数模模数转换器件，用单片机来控制激光器驱动电源，用单片机来实现人机交互，用单片机来完成激光器的实时温度监控。

CPU控制板是使整个系统正常运转的核心部分，它承担闭环控制运算，AD芯片、DA芯片、数码管、按键、LED指示灯等所有器件的驱动及控制。

总体硬件框图如下所示：

图3-1整体硬件框图

整个系统大体由五部分组成，即可控电源，主控板，人机交互板，温度模块，激光器。

可控电源有一个输出端即电流输出给激光器，有三个输入端，分别是供电电压输入，电压调节电流输入，使能输入；主控板有四路模拟量输入，五路数字量输入，一路数字量输出，一路模拟量输出，四路模拟量分别是激光器滤波片温度，倍频晶体温度，激光功率电压反馈信号，激光器外壳测温电阻引线，五路数字量分别是数码管显示控制，两个指示灯显示，蜂鸣器控制和出光按钮，一路数字量输出是电源使能端，一路模拟量输出是电压调节电流；人机交互板包括数码管显示功率，电源指示灯，状态指示灯，工作指示灯，异常蜂鸣器，功率调节按钮，复位按钮及主电源钥匙开关；温度模块包括两路TEC输出温度，一路横流源与热敏电阻配合产生的机壳温度；激光器本身有一路驱动电流，其内部有三个高精度热敏电阻，分别反映机壳温度，滤波片温度，倍频晶体温度，还有一路功率输出。

以上阐述了个硬件之间的输入输出关系，在做程序和硬件连接过程中应该保证其正确性。

人机交互部分的数码管显示采用动态扫描法，为提高显示效果和程序稳定性，采用10毫秒定时器中断显示法。

为提高显示亮度，每位数码管显示的选通位接有放大器。

按键程序采用循环查询法完成。

CPU对数据进行采集并完成模数转换是采用了一款8位高速AD转换器，该转换器为SPI串行输出，共有8通道，可以同时对8路模拟量进行转换，温度控制模块、机壳温度和光功率都要通过该AD进行转换。

由于CPU产生的控制量是数字信号，因此需要一个数模转换芯片，根据激光器的输入特性即输入电流不可超过30A，否则激光将会被烧毁，所以控制电压要保证控制在0-3V，那么输出电流也将会被控制在0-30A，从而推出DA的输出不可超过3V，解决的办法是可以在输出端加稳压管。

3.1.2工作过程及关键问题

经过论证，该激光器方案成功后，其工作过程如下所述：

接通电源后红色指示灯亮，表明电源正常接通，数码管显示初始功率设定值；此刻CPU检测AD数据，察看温度是否正常，如若无异常则黄色指示灯点亮，这表明控制器已确认发光条件，进入就绪状态，此时使用者可以调节输出功率，是否减小或是否增大，是否按下发光键。

如果有调节功率按键按下，那么调节后的功率会显示在数码管上。

当发光按钮被按下时CPU发出指令使电源产生电流，CPU经过运算后通过DA来调节电源的电压，电压的具体值要根据输入的功率值和反馈回的功率值来选择，发光输出的实际功率会被AD采集，CPU根据采集到的功率来微调控制电压使功率尽可能的稳定在输入值上。

功率稳定是一个数字PID闭环算法。

图3-2功率PID结构

在功率稳定的过程中，两块TEC的温度，和机壳的温度都在实时监控，如果有异常，立即切断电源电流，此时即使按下发光按钮也不能出光，而且黄色信号灯熄灭。

整体程序处在一个循环中，这些功能被循环调用。

整体硬件的关键问题就是要保证AD器件不受电磁干扰，保证各硬件电器特性完好，给软件设计搭建一个正确的硬件环境。

保证电器特性完好的方法是要以正确的理论来指导PCB板的设计，在设计方面进行多次测试反复调试。

3.2温度控制

3.2.1温度控制简介

经过方案论证，在温度控制方面有三个量需要实时监控，即激光器内部滤波片的温度监控，倍频晶体温度监控，激光器机壳的温度监控。

激光器工作时应保持一定温度以下，因为其发光工作时理论上会产生很多热量，而半导体激光器会因为热量积累温度升高而使产生光功率变得不稳定或效率降低或其他未知不利情况。

为避免这种情况发生，我们建议要对滤波片和倍频晶体采用一款专用的温度控制模块来控制。

由于激光器机壳内部有热敏电阻，机壳温度就由这个热敏电阻来体现。

温度控制模块是一种半导体制冷器驱动，他用来驱动激光器内部半导体制冷器，既TEC，TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。

所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。

重掺杂的Ｎ型和Ｐ型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。

TEC包括一些Ｐ型和Ｎ型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就