【正文】 ******************大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)（論文）題目 ： 基于 MCS51 單片機(jī)的 LD 自動功率控制系統(tǒng) 系 別： 電子工程系 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成時間： **********大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 共 30 頁 目 錄 1 概述 ................................................................. 3 ........................................................... 3 ..................................................... 3 ..................................................... 4 ..................................................... 4 2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理 ......................................... 5 ................................................... 5 ................................................... 6 ....................................................... 6 半導(dǎo)體激光器工作的因素 ......................................... 7 ............................................. 9 3 硬件設(shè)計(jì) ............................................................ 11 ........................................................ 11 ...................................................... 11 ........................................................ 13 4 軟件設(shè)計(jì) ............................................................ 16 .................................................... 16 .......................................................... 18 5 電路調(diào)試與仿真 ...................................................... 20 .......................................................... 20 .......................................................... 21 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................................... 23 參考文獻(xiàn) ............................................................... 24 附錄一 ................................................................. 25 附錄二 ................................................................. 30 **********大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 共 30 頁 基于 MCS51 單片機(jī)的 LD 自動功率控制系統(tǒng) 摘 要： 穩(wěn)定光源在光學(xué)測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出光功率可調(diào)、穩(wěn)定度高的光信號，穩(wěn)定光源正是急 待開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備 在精密光電檢測領(lǐng)域中，微小的光源波動會引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差，因此本課題介紹的是一種單片機(jī)控制激光二極管輸出功率的方法，針對 SANYO 30mW 紅光 LD 設(shè)計(jì)了驅(qū)動電路。單片機(jī)內(nèi)對監(jiān)測電流偏差進(jìn)行了 PID 調(diào)節(jié)運(yùn)行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。 本課題設(shè)計(jì)的是穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的輸出功率，我們從自動控制理論出發(fā)，先闡述 PID 控制理論，接著再設(shè)計(jì)了數(shù)字設(shè)置輸出光功率、閉環(huán) PID 自動調(diào)節(jié)的 LD驅(qū)動電路，以此達(dá)到使半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定的目的。 [關(guān)鍵 詞 ] LD驅(qū)動電路，單片機(jī)，功率穩(wěn)定可調(diào)激光二極管， PID 調(diào)節(jié)。 **********大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 共 30 頁 1 概述 課題背景 在精密光電檢測領(lǐng)域中，微小的光源波動會使得被測量偏移，進(jìn)而產(chǎn)生較大的測量誤差，所以對于光源穩(wěn)定性的要求就非常高了。而穩(wěn)定光源在光學(xué)測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號，穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。 半導(dǎo)體激光器（ LD）與其他激光器相比，不僅具有單色性高、高亮度、高方向性的特性，而且具有體積小、價格低、低功率、易于集成 、便于工作、壽命長、波長可調(diào)、可快速調(diào)制等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是多重量子井型的效率有 20~40%， PN 型也達(dá)到 15%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達(dá) 50W（帶寬 100ns）等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激發(fā)光源可說是最佳的選擇。 國內(nèi)外研究情況 國內(nèi)一些學(xué)者對穩(wěn)定激光光源做了研究。有的設(shè)計(jì)使激光器注入電流穩(wěn)定，配合使用溫控電路，這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。 有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用 模擬的積分調(diào)節(jié)，由于 積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨(dú)使用 。這兩種方法共同特點(diǎn)是模擬調(diào)節(jié)。 再者， 2022年廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的董全財提出了一種基于 DSP技術(shù)和 PID算法的自動控制方法 ,來控制半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動電流以實(shí)現(xiàn)對其輸出功率。與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比 ,DSP技術(shù)與 PID算法的應(yīng)用能有效提高半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。 **********大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 共 30 頁 而本課題是從自動控制理論出發(fā)，先闡述 PID 控制理論，接著再設(shè)計(jì)了數(shù)字設(shè)置輸出光功率、閉環(huán) PID自動調(diào)節(jié)的 LD驅(qū)動電路，以此達(dá)到使半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定的目的。 課題目的及意義 光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，在精密光電檢測領(lǐng)域中，這樣的偏移會產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導(dǎo)體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解其它光電學(xué)參量，在這種情況下，由于薄膜增長的緩慢（ /秒），反射比變化非常小，其對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達(dá)到 %，所以穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的一種重要測試儀器設(shè)備。為減少測量誤差， LD自動功率控制系統(tǒng)便成為一 個重要的研究方向。 與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比 , PID算法的應(yīng)用能有效提高半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。 并且 半導(dǎo)體激光器（ LD）由于其具有體積小、價格低、低功率、可快速調(diào)制、方向性好、光功率利用率高、工作電壓要求較低等一系列特點(diǎn)，越來越受到人們的重視，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域、光電子技術(shù)領(lǐng)域、激光技術(shù)領(lǐng)域、信息技術(shù)領(lǐng)域等方面。 主要性能及要求 功率穩(wěn)定可調(diào)的激光二極管（ LD）在精密光電檢測和光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 本文針對 SANYO 30mW 紅光 LD 設(shè)計(jì)了驅(qū)動電路，其驅(qū)動電流在 0～ 100mA 之間可調(diào)，最小可調(diào)量 。單片機(jī)內(nèi)對監(jiān)測電流偏差進(jìn)行了 PID 調(diào)節(jié)運(yùn)行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定可調(diào)。 **********大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 30 頁 2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理