【正文】 率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)戴倫教授及其博士生馬仁敏共同完成。(2) 采用以微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字化處理技術(shù)。以上這些特點(diǎn)，反映了測控儀器的發(fā)展方向，同樣也反映了半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。從應(yīng)用角出發(fā)，人們要求激光器的性能穩(wěn)定。其中采用電注入式的激勵方式的半導(dǎo)體激光器占絕大多數(shù)，即給PN結(jié)加上一個正向電壓，從而在結(jié)平面區(qū)域使其產(chǎn)生受激幅射，也就是說這相當(dāng)于一個正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又被稱為半導(dǎo)體激光二極管。 半導(dǎo)體激光器典型結(jié)構(gòu)，是一個典型的半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。 溫度對LD特性的影響盡管LD是高效率的電子——光子轉(zhuǎn)換器件，但由于不可避免的地存在各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，使其微分量子效率只能到到20%～30%，這意味著當(dāng)部分注入的功率將轉(zhuǎn)換為熱量，引起激光器升溫。試驗(yàn)表明，溫度每增加25℃，其器件壽命減少一半，即使工作電流在數(shù)十毫安的半導(dǎo)體激光器，它卻承受了左右的電流密度和相當(dāng)大的熱耗散功率密度。激光器所產(chǎn)生的熱耗散功率為：（）式中，I和V分別為加于半導(dǎo)體激光器上的脈沖峰值工作電流和相應(yīng)的電壓； 為串聯(lián)電阻；為輸出的光脈沖峰值功率，為脈沖寬度；f為脈沖重復(fù)頻率。在激光二極管泵浦固體激光器中，為實(shí)現(xiàn)對激光品體的譜線擬合，必須調(diào)整激光二極管的輸出波長及其與激光晶體的吸收峰值匹配。因此，可以用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值波長，以滿足對波長的嚴(yán)格要求。激光二極管最大輸出功率以及功率波動都與溫度有關(guān)。綜上所述，溫度對半導(dǎo)體激光器二極管的參數(shù)如波長、壽命、輸出功率等都有很大的影響，所以為了激光器的廣泛應(yīng)用，使用者需要對其溫度的穩(wěn)定采取相應(yīng)的控制措施。對閾值電流，上式也同樣成立。閾值電流對溫度的依賴關(guān)系主要來自于下列因素：(1)與溫度有關(guān)的載流子統(tǒng)計(jì)分布影響著激光器的增益系數(shù)；(2)由于載流子的俄歇復(fù)合、載流子與異質(zhì)結(jié)界面態(tài)和半導(dǎo)體材料表面態(tài)的復(fù)合以及自由載流子吸收等引起的內(nèi)部損耗與溫度的關(guān)系；(3)由于載流子隨能量的統(tǒng)計(jì)分布和異質(zhì)結(jié)有限的勢壘引起的熱載流子漏泄。而對同樣的溫度變化量，()()。然而與溫度有關(guān)的熱載流子漏泄所引起的漏電流仍占注入總電流相當(dāng)大的比率(在λ=1310nm的激光器中，這一比率達(dá)到1/3)。對半導(dǎo)體激光器來說，激光工作物質(zhì)是具有直接帶隙躍遷的Ⅱ一VI族或Ⅲ一V族化合物半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度Eg(單位為eV)決定著光發(fā)射波長λ。溫度對GaAlAs半導(dǎo)體激光器光譜線寬的影響本章講述了半導(dǎo)體激光器的基本原理、溫度對半導(dǎo)體機(jī)光器的影響等內(nèi)容。小到人們家中的空調(diào)和冰箱，大到超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生、航空航天等高新科技都離不開溫度的測量與控制，可見溫度的測量與控制是十分必要的。它能以很高的精度將半導(dǎo)體激光器從室溫加熱或冷卻，其動態(tài)范圍達(dá)60℃。然而若將整個管殼的溫度也降至0℃則需用50W的制冷功率經(jīng)40S才能完成。對數(shù)十瓦的大功率半導(dǎo)體激光器，尚需對散熱器采取強(qiáng)制風(fēng)冷或流體冷卻?？刂破鲌?zhí)行器被控對象被控量（輸出量）設(shè)置量（輸入量）傳感器控制量比較器 閉環(huán)控制單元 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖為了提高控溫精度，通常采用閉環(huán)負(fù)反饋溫控系統(tǒng)。 常用的LD溫度控制方法傳統(tǒng)的溫度控制電路是由模擬PID控制單元組成，控制范圍小，控制精度低，可調(diào)節(jié)性不大，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，廣泛的采用了數(shù)字控制器。在這個系統(tǒng)中，LD產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)過溫度傳感器傳器鉑熱電阻（Pt100）變成放大的電信號，經(jīng)過放大器、濾波器等信號處理電路，變成穩(wěn)定的電流信號，送入A/D中進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，輸出的數(shù)字量送到微控制器中，經(jīng)微控制器的處理，輸出數(shù)字信號，輸出的信號進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)入系統(tǒng)的執(zhí)行單元，系統(tǒng)的執(zhí)行單元廣泛采用了半導(dǎo)體制冷硅（TEC）。由于本文設(shè)計(jì)的TEC制冷器，利用輸出電流大小隨著采樣溫度的變化而變化的規(guī)律，達(dá)到溫度控制的目的，所以，熱敏電阻采樣值的精確度直接影響控制系統(tǒng)的性能，因此，本文針對采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。這種電路也經(jīng)常作為單片機(jī)的一種前向通道接口使用，進(jìn)而構(gòu)成智能化測試控制儀表，這種新型的熱敏電阻測量電路，具有通用性強(qiáng)、測量精度高、電路簡單等特點(diǎn)。那么，如果保證該側(cè)電流恒定，電壓與電阻的關(guān)系就是線性的。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用了數(shù)字控制器。圖中LD產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)過溫度傳感器鉑熱電阻(Pt100)變成的電信號，經(jīng)過放大、濾波等信號處理電路，直接送入到微控制器，與溫度設(shè)置裝置所設(shè)置的溫度信號進(jìn)行比較。(3) 由于現(xiàn)有的微處理器不但具有計(jì)算能力，而且能方便的擴(kuò)展外部顯示接口，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測系統(tǒng)溫度，并且可對受控單元的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，這使得我們對系統(tǒng)的工作狀況有了更加準(zhǔn)確、及時(shí)的了解，使受控單元能工作在最佳狀態(tài)。第四章 硬件電路的設(shè)計(jì)本部分是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)部分，包括模擬信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、信號預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、顯示部分的設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體制冷硅與驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，用來實(shí)現(xiàn)對LD溫度的測量、控制及顯示。在國防現(xiàn)代化及科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中，溫度的精確檢測及控制更是必不可少的。針對本溫控系統(tǒng)溫度測量與控制的精度要求比較高，系統(tǒng)采用了線性度、測量精度與熱響應(yīng)時(shí)間都比較好的鉑熱電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。PT100鉑電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。鉑電阻的非線性特征按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內(nèi)，符合ITS90的國際分度表函數(shù)R(t)可用式：（）式中， 分別是t℃和0℃時(shí)鉑熱電阻的阻值， A=℃，B=℃。 溫度傳感系統(tǒng)的電源本節(jié)主要解決傳感器的電源問題。1mV 溫度系數(shù)：3 ppm/℃休眠模式：1mA最低噪聲：100nV/ AD780的管腳 產(chǎn)品特點(diǎn)：（1） AD780提供從4 V到36 V輸入，3V或者 V輸出的可控制電壓。（4） 噪聲低，可減少系統(tǒng)外部除噪電容。由于選擇的單片機(jī)是集成了高精密度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，所以顯示單元與單片機(jī)之間不需要再接什么轉(zhuǎn)換器件，我們可以直接將單片機(jī)與顯示單元相接。要顯示某個圖形或漢字就是將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫入到相應(yīng)的存儲單元中。顯示點(diǎn)在64*64液晶屏上的位置由行號（line,0~63）與列號（column,0~63）確定。每列中的8行點(diǎn)陣信息構(gòu)成一個8bits二進(jìn)制數(shù)，存儲在一個存儲單元中。例如點(diǎn)亮128*64的屏中（20，30）位置上的液晶點(diǎn)，因列地址30小于64，該點(diǎn)在左半屏第29列，所以CS1有效；行地址20除以8取整得2，取余得4，該點(diǎn)在RAM中頁地址為2，在字節(jié)中的序號為4；所以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)00010000（也可能是00001000，高低順序取決于制造商）寫入Xpage=2，Yaddress=29的存儲單元中即點(diǎn)亮（20，30）上的液晶點(diǎn)。這樣極大簡化了單片機(jī)到顯示單元的線路，挺高了抗干擾能力。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量會從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生“熱”側(cè)和“冷”側(cè)，這就是TEC的加熱與致冷原理。 TEC的用途非常廣泛，最典型的應(yīng)用是激光器的溫控和PCR的溫控。其采用最先進(jìn)的薄膜技術(shù)，并使用MEMS（微電機(jī)系統(tǒng)）進(jìn)行加工，從而得到體積非常小的TEC。 （）。(4) 可靠性高，MTBF超過50萬小時(shí)；(5) 使用方便，控制靈活，改變供電電壓，可實(shí)現(xiàn)制冷量的連續(xù)調(diào)節(jié)，改變電流方向可逆向供熱。LTC1923內(nèi)部主控制回路包括1個誤差放大器、1個PWM比較器和2套互補(bǔ)輸出驅(qū)動。誤差放大器的輸出同時(shí)被TEC電壓鉗位電路控制，實(shí)現(xiàn)逐個脈沖限流的功能。RT還決定了三角波振蕩器的充/放電電流以及2組輸出之間的死區(qū)時(shí)間。LTC1923提供了一個RSLEW引腳，在他與地之間接一個電阻可以限制輸出驅(qū)動引腳上的電壓擺動率，以抑制電源中的電流紋波，提高電路的噪聲性能。 TEC驅(qū)動電路將半導(dǎo)體制冷硅（TEC）的制冷端和制熱端分別接在LTC1923的TEC+和TEC端，其余的電路參考LTC1923的外部電路接法將TEC的其他端口接于LTC1923的PDRVB、NDRVB、PDRVA、NDRVA、CS+、CS等引腳。本系統(tǒng)選擇了Analog Device（ADI）公司生產(chǎn)的ADUC831系列單片機(jī)，采用高集成度單片機(jī)ADUC831作為核心控制器件。采用一路DA作為控制信號，調(diào)節(jié)電源模塊的輸出電壓。通過RS232的通信功能，來把單片機(jī)的程序從PC機(jī)上傳送到單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的邏輯控制。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。軟件的出現(xiàn)，自動控制理論有了新的發(fā)展方向，智能控制得到迅速發(fā)展。因此LD溫度控制系統(tǒng)的軟件是本課題的核心所在。由于LD溫度變化是緩慢的，而且制約LD溫度變化的因素較多(LD溫度的數(shù)學(xué)模型的不確定性)，最終會使LD溫度控制有很大的差異，即LD溫度值的變化是一個在一定區(qū)域內(nèi)振蕩的復(fù)雜變化，在控制精度較高的情況下，使用單一的控制方法己難以達(dá)到。章節(jié)中對溫度測量元件進(jìn)行選擇，并講述了選則的理由；對制冷/制熱期間進(jìn)行了挑選，選出了半導(dǎo)體制冷硅（TEC）；對溫度控制元件進(jìn)行了挑選，選出了LTC1923作為半導(dǎo)體制冷硅的控制元件；同時(shí)還對單片機(jī)機(jī)型了選擇，選出了高精度、集成化高的ADUC831作為處理器；最后對微處理器用keil 進(jìn)行了編程，使整個系統(tǒng)進(jìn)行良好運(yùn)轉(zhuǎn)。本課且具體完成的工作有：（1） 論文從研究半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的意義出發(fā)對其輸出如波長、功率、使用壽命的影響及原理進(jìn)行了分析。彩色LCD的顯示，使得人機(jī)交互界面顯得更加友好。以往大部分都是用PID理論進(jìn)行控制，精度隨著算法的提高而提高，在算法不準(zhǔn)確的時(shí)候精度受限，在本文中采用了自動控制的方法，提高了控制精度。(2) 在實(shí)驗(yàn)中的傳感部分，舍去了溫度補(bǔ)償措施。(5) 由大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)響應(yīng)圖形可知，系統(tǒng)工作在LD環(huán)境溫度時(shí)，系統(tǒng)溫控效果較好，設(shè)定值偏離環(huán)境溫度較大時(shí)，系統(tǒng)控溫精度有所降低，這是本溫控系統(tǒng)的不足之處。(8) 將溫控系統(tǒng)的算法的合理性和誤差范圍減小，現(xiàn)有的溫度控制系統(tǒng)采用的是模糊控制理論的方法，精度跟誤差范圍有限，可以改用更加精密的算法來控制。文獻(xiàn)參考：【1】王肖飛， 半導(dǎo)體激光電源及溫控系統(tǒng)的研究[D]，長春理工大學(xué)，2010（3）。【5】范吉中，半導(dǎo)體激光器溫度控制技術(shù)的研究[D]，西安理工大學(xué)2005（2）?！?】周炳坤，高以智，陳倜嶸，陳家驊，激光原理[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2007。【15】胡楊，張亞軍，于錦泉，用于半導(dǎo)體激光器的溫控電路設(shè)計(jì)[J]，紅外與激光工程，2010（10）【16】靳斌，曾統(tǒng)一，李司宇，基于ADuc848的高精度溫控器的硬件設(shè)計(jì)[J]，儀表技術(shù)與傳感器，2007（）【17】馬書磊，馮冬青，半導(dǎo)體泵浦固體激光器智能溫控策略與算法研究[J]，計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動化，2008（7）。感謝他們的關(guān)心、幫助、支持和鼓勵，使我克服了許多學(xué)習(xí)上的難關(guān)，也度過了許多美好的時(shí)光，留給我難忘而有意義的畢業(yè)設(shè)計(jì)生活。 sbit SDA=0x80。 bit flag,flag 1。i6。 delay() sda=1。i++) { sda(bit)(I_dataamp。 delay()。 if(sda==1) flag=0。 } byte l_receice(void) //字節(jié)接受程序 { data byte i。i8。 scl=1。 if(flag==0) { scl=1。 delay()。 } }/*********************顯示單元*******************/ define DATA P0define 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