一种基于tec的半导体激光器温度控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统，其特征在于该系统包括温度传感器、单片机、TEC数字PWM功率驱动电路和TEC散热组件，所述TEC散热组件包括TEC、制冷块、散热铝板和排风扇，TEC的冷面和热面都均匀涂有导热硅脂，TEC的冷面紧贴制冷块，TEC的热面紧贴散热铝板，散热铝板正下方设有排风扇；所述温度传感器一端与半导体激光器接触，另一端与单片机的输入输出引脚连接，所述单片机的输出端与TEC数字PWM功率驱动电路的一端连接，TEC数字PWM功率驱动电路的另一端紧贴TEC散热组件的制冷块；所述TEC数字PWM功率驱动电路的电路构成是：三极管Q1的基极与单片机的输出端连接，单片机的该输出端同时通过电阻R2与电源端子VCC连接。
【专利说明】
一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及温度控制的技术领域，具体涉及一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统。
【背景技术】
[0002]迄今为止，半导体激光器已经发展了 50多年，这短短几十年，半导体激光器各个方面的性能均得到了显著的提高。半导体激光器作为一种新型的光源，因其具有体积小、重量轻、高效率、低功率驱动、可直接调制等一系列优点，已经越来越广泛地应用于通信、军事、医疗等领域。但是半导体激光器由于它的输出波长、阈值电流、使用寿命、输出功率等都受温度的影响，限制了激光器的使用，因此半导体激光器温度控制对激光器的应用起到了很重要的作用。
[0003]目前，市面上的温控系统主要有两大形式:开关控制和大型的工业温度控制模块。利用开关控制温度简单方便、容易操作，但控制的温度波动大，不稳定;而大型的工业温度控制精度高，稳定性好，但价格昂贵、且其庞大的体积不适合应用到半导体激光器等小型器件上。虽然成品化的半导体激光器温度控制系统在售，但价格都比较贵，，基于这样的情况，一种低价、高稳定度的半导体激光器温度控制系统的研制具有一定的经济价值和现实意义。
[0004]CN104331102A公开了一种“基于TEC的激光器温度控制电路”，该控制电路使用了NTC热敏电阻作为温度传感器来测量温度信号，使用MAXM公司的MAX1978专用温度控制芯片，但该芯片价格昂贵，且NTC的设计电路复杂，测量结果温度误差较大，此外，该专利没有对TEC的热端及时散热，使得温控效果较差。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统。该温控系统采用PWM功率驱动电路驱动TEC，利用场效应管的开关特性，通过调整PWM脉宽信号的占空比，可以调整TEC输出电流的大小。同时能够及时将热端的热量散出，以达到对半导体激光器的温度控制，该温控系统电路结构简单，低价且稳定，控制精度较高，尤其适用于半导体激光器等小型器件的温控中。
[0006]本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是:提供一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统，其特征在于该系统包括温度传感器、单片机、TEC数字PffM功率驱动电路和TEC散热组件，所述TEC散热组件包括TEC、制冷块、散热铝板和排风扇，TEC的冷面和热面都均匀涂有导热硅脂，TEC的冷面紧贴制冷块，TEC的热面紧贴散热铝板，散热铝板正下方设有排风扇；
[0007]所述温度传感器一端与半导体激光器接触，另一端与单片机的输入输出引脚连接，所述单片机的输出端与TEC数字P丽功率驱动电路的一端连接，TEC数字P丽功率驱动电路的另一端与TEC散热组件的TEC接线端子连接；
[0008]所述TEC数字PffM功率驱动电路的电路构成是:三极管Ql的基极与单片机的输出端连接，单片机的该输出端同时通过电阻R2与电源端子VCC连接，三极管Ql的集电极分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端连接电源端子VCC，三极管Ql的发射极接到数字地GND;电阻R4的另一端同时与三极管Q2和三极管Q3的基极连接，三极管Q2的集电极通过电阻R5接到电源端子VCC，三极管Q2的发射极与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极接到数字地GND;三极管Q2和三极管Q3的发射极共同连到MOS管Q4的源极，MOS管Q4的栅极连接极性电容C4的负极和TEC接线端子的负极，极性电容C4的正极分别与电源端子VCC和TEC接线端子的正极连接;MOS管Q4的漏极接到数字地GND。
[0009]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0010]I)传统激光器大多采用线性模式的TEC控制器，但功率效率低、控制精度不高，电路集成度较低，而且存在温度控制的“死区”问题。本实用新型采用TEC数字HVM功率驱动电路来驱动TEC，为控温执行器件TEC提供大小精密可调的驱动电流，相对于线性驱动模式，功耗小、散热少、大大提高了电源效率。而且相对于采用集成温控芯片MAX1978相比，大大减少了成本。
[0011]2)本实用新型采用美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字式温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器，DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，可以直接将被测温度转换为串行数字信号，以供单片机处理;与热敏电阻相比省略了把温度对应的模拟信号经A/D转换器转换成微控制器可读的数字信号的过程，这样有利于节省硬件开支，使系统结构更简单。
[0012]3)本实用新型中单片机采用宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机STC12C5410AD，是高速/低功耗/抗干扰强的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍，另外含有4路PffM，为本实用新型提供了占空比可调的PffM输出，省去了繁琐的PWM产生电路。
[0013]4)由于温度控制系统具有滞后性、时变性和非线性的特征，若采用常规的线性控制理论，要达到满意的控制效果异常困难。本实用新型采用PID算法控制半导体激光器的温度，通过增量式PID算法求出控制增量，控制HVM脉宽信号的频率，进而控制场效应管的通断，从而控制TEC上的电流，最终实现对半导体激光器温度的有效控制。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例的整体结构框图；
[0015]图2为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例的单片机2的外围电路连接示意图；
[0016]图3为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例温度传感器I的电路连接不意图；
[0017]图4为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例的TEC数字PffM功率驱动电路3的电路连接示意图；
[0018]图5为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例的TEC散热组件4的结构示意图；
[0019]图6为本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统一种实施例的单片机中PID算法的流程图。
[0020]图中，1-温度传感器、2-单片机、3-TEC数字PWM功率驱动电路、4-TEC散热组件、5-半导体激光器、44-TEC、41 -制冷块、42-散热铝板、43-排风扇。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例及附图进一步介绍本实用新型，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
[0022]本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统(简称温控系统或系统，参见图1-5)包括温度传感器1、单片机2、TEC数字PffM功率驱动电路3和TEC散热组件4，所述TEC散热组件4(参见图5)包括TEC 44、制冷块41、散热铝板42和排风扇43，TEC44的冷面和热面都均匀涂有导热硅脂，TEC 44的冷面紧贴制冷块41，TEC 44的热面紧贴散热铝板42，散热铝板42正下方设有排风扇43，TEC产生的热量将通过散热铝板和排风扇予以散播，可以显著增加制冷效果；
[0023]所述温度传感器I一端与半导体激光器5接触，另一端与单片机2的输入输出引脚连接，所述单片机2的型号为STC12C5410AD，单片机内存有PID算法，单片机2的输出端与TEC数字PWM功率驱动电路3的一端连接，TEC数字PffM功率驱动电路3的另一端紧贴TEC散热组件4的制冷块41 ；
[0024]所述TEC数字PffM功率驱动电路3(参见图4)的电路构成是:三极管Ql的基极与单片机2的输出端P3.5 口连接，单片机的P3.5 口产生PffM输出，单片机2的该输出端同时通过电阻R2与电源端子VCC连接，将P3.5 口采用弱上拉，用5.1K Ω的电阻R2上拉到VCC，为三极管Ql的基极提供较大的导通电流;三极管Ql的集电极分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端连接电源端子VCC，三极管QI的发射极接到数字地GND;电阻R4的另一端同时与三极管Q2和三极管Q3的基极连接，三极管Q2的集电极通过电阻R5接到电源端子VCC，三极管Q2的发射极与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极接到数字地GND;三极管Q2和三极管Q3的发射极共同连到MOS管(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)Q4的源极，MOS管Q4的栅极连接极性电容C4的负极和TEC接线端子的负极，极性电容C4的正极分别与电源端子VCC和TEC接线端子的正极连接，TEC接到极性电容C4的两端，通过控制MOS管Q4的通断，从而控制TEC的制冷电流大小;MOS管Q4的漏极接到数字地GND。
[0025]具体地，本实用新型中三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3的型号均为2N3904，M0S管Q4的型号是50N06，电阻R2的阻值为5.1ΚΩ，电阻R3的阻值为240 Ω，电阻R4的阻值为1ΚΩ，电阻R5的阻值为240 Ω，极性电容C4的规格为4700uF/35V。
[0026]本实用新型温控系统中单片机2的外围电路构成(参见图2)是:单片机采用宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机STC12C5410AD，用Ul表示，单片机的复位RST引脚接极性电容C3的负极，极性电容C3的正极接电源端子VCC，电容C3的负极通过电阻Rl接到数字地GND，以使单片机能够产生复位;单片机的XTAL2脚、XTALl脚分别接到晶振Xl的两端，并分别通过电容Cl、电容C2接到数字地，以此构成晶振电路，为单片机提供时钟源;单片机的GND脚接到数字地;单片机的VDD脚接到电源端子VCC，为单片机供电；单片机的PWM1/T1/P3.5脚产生PffM输出，连接TEC数字PffM功率驱动电路3;单片机的输入输出引脚P2.6 口接温度传感器I的信号线。其中，电容Cl和电容C2的电容量均为30pF，电阻Rl的阻值为1K Ω，晶振Xl的大小为11.05921取，极性电容03的电容量为10沾/35￥。
[0027]本实用新型温控系统中温度传感器I采用美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字式温度传感器芯片DS18B20，其电路构成(参见图3)是:温度传感器I用U2表示，温度传感器的GND脚接数字地GND，信号端DQ脚接单片机的输入输出引脚P2.6 口，同时DS18B20的信号端DQ脚通过电阻R6接到电源端子VCC，温度传感器的VCC脚接到电源端子VCC。其中，电阻R6的阻值为4.7K Ω，通过对单片机的输入输出引脚P2.6 口编程即可实现对温度传感器的数据采集。
[0028]本实用新型基于TEC的半导体激光器温度控制系统中单片机内的PID算法流程(参见图6)是:首先初始化PID的系数:比例系数Pset、积分系数Iset、微分系数Dset，对PID系数进行预设;然后温度传感器采集被控对象(半导体激光器)的温度，并从单片机中提取温度采集数据Temptest，并将温度采集数据Temptest与预设温度Tset作差，求出偏差Et，Et =Temptest-Tset，通过增量式PID算法计算出控制增量Outvalue，将控制增量(输出量)输出给HVM脉宽信号，控制PWM脉宽信号的占空比，进而通过控制TEC数字HVM功率驱动电路控制被控对象的温度;此外，将输出量输出给PWM脉宽信号，还要更新偏差Et，为下一时刻做准备，并判断采样时间是否达到，若达到，返回步骤“提取温度采集数据Temptest”，继续循环；若未达到，等待采样时间，继续判断采样时间是否达到。
[0029]其中增量式PID算法的公式为:Out value = Pse t*Et+I set* (Et-Et I)+Dset* (Et_2*Et 1+Et2) Wutvalue为通过增量式PID算法计算出的控制增量，Pset、Iset、Dset分别为比例系数、积分系数、微分系数，Et为本次采样的偏差，Etl为上一次采样的偏差，Et2为上两次的米样偏差。
[0030]本实用新型中温度传感器I采集半导体激光器5的温度，半导体激光器5为被控对象，温度传感器将采集的温度信号送入单片机2;单片机采用PID算法产生相应的控制量，为TEC数字PffM功率驱动电路3产生占空比可调的PffM脉宽信号输出，TEC数字PffM功率驱动电路3产生的热量经由TEC散热组件4及时排除，以达到更好的制冷效果。
[0031]本实用新型温控系统的控温过程是:采用TEC对半导体激光器(LD)5进行制冷或加热，温度传感器I采集半导体激光器(LD)的温度，单片机2将采样温度与设置温度之间的差值作为输入变量，采用PID算法对其计算，产生相应的控制增量，控制增量经由TEC数字PWM功率驱动电路3产生相应的电流，驱动TEC，对半导体激光器(LD)5进行加热或制冷，同时半导体激光器(LD)的温度又被温度传感器反馈到单片机2中，从而调整TEC数字PWM功率驱动电路3的输出电流的大小，直到半导体激光器(LD)的温度稳定在设置的温度点。
[0032]本实用新型所使用的元器件均可商购获得，未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种基于TEC的半导体激光器温度控制系统，其特征在于该系统包括温度传感器、单片机、TEC数字PffM功率驱动电路和TEC散热组件，所述TEC散热组件包括TEC、制冷块、散热铝板和排风扇，TEC的冷面和热面都均匀涂有导热硅脂，TEC的冷面紧贴制冷块，TEC的热面紧贴散热铝板，散热铝板正下方设有排风扇； 所述温度传感器一端与半导体激光器接触，另一端与单片机的输入输出引脚连接，所述单片机的输出端与TEC数字PffM功率驱动电路的一端连接，TEC数字PffM功率驱动电路的另一端与TEC散热组件的TEC接线端子连接； 所述TEC数字PWM功率驱动电路的电路构成是:三极管Ql的基极与单片机的输出端连接，单片机的该输出端同时通过电阻R2与电源端子VCC连接，三极管Ql的集电极分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端连接电源端子VCC，三极管Ql的发射极接到数字地GND;电阻R4的另一端同时与三极管Q2和三极管Q3的基极连接，三极管Q2的集电极通过电阻R5接到电源端子VCC，三极管Q2的发射极与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极接到数字地GND;三极管Q2和三极管Q3的发射极共同连到MOS管Q4的源极，MOS管Q4的栅极连接极性电容C4的负极和TEC接线端子的负极，极性电容C4的正极分别与电源端子VCC和TEC接线端子的正极连接;MOS管Q4的漏极接到数字地GND。2.根据权利要求1所述的基于TEC的半导体激光器温度控制系统，其特征在于所述三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3的型号均为2N3904，M0S管Q4的型号是50N06，电阻R2的阻值为5.1ΚΩ，电阻R3的阻值为240 Ω，电阻R4的阻值为1ΚΩ，电阻R5的阻值为240 Ω，极性电容C4的规格为4700uF/35V。3.根据权利要求1所述的基于TEC的半导体激光器温度控制系统，其特征在于所述温度传感器采用美国达拉斯公司的单线数字式温度传感器芯片DS18B20，所述单片机的型号为STC12C5410AD。
【文档编号】G05D23/20GK205665597SQ201620454993
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】刘新福, 伏娜, 孙晶, 葛帅
【申请人】河北工业大学