摘要
这篇论文主要介绍了一种大功率激光二极管的精密恒温制冷系统，利用半导体制冷器对大功率激光二极管进行制冷和精密温控，构成全固态制冷系统。本系统使用MCU机作为控制平台，采用自整定PID算法，采用A/D转换器对环境温度进行采样，数据处理后由LED显示，人机界面友好，控制精度高，温度精度可达±0.1℃，激光二极管输出光功率波动峰峰值小于1.5‰。本论文详细分析阐述了元件的选择，电路的设计及相关软件的设计。并给出了各设计模块的程序流程图，实际电路图等。
关键词： 模数转换，数模转换，单片机，半导体制冷器，自整定PID算法。
Abstract
This system uses MPU machine as the control platform, adopting the A/D converter to sample environmental temperature, displaying the data processed through LED. So the man-machine interface is friendly. The error of the temperature controlled which can reach ±0.1℃ is high and the fluctuation of laser diode output is less than 1.5‰. This thesis analyses in detail the choice of the components and parts, the design of the circuit and the relevant software by giving the procedure flow charts of each module and actual circuit diagrams.
Keywords: A/D, D/A, MCU, TEC, PID.
目录
前言…………………………………………………………………………………………5
第一章 恒温控制器的性能指标及方案论证…………………………………………6
第一节 系统的性能指标………………………………………………………6
第二节 方案论证………………………………………………………………6
第三节 控制算法的确定………………………………………………………7
第二章 硬件系统的设计与芯片的选择………………………………………………11
第一节 硬件系统的设计原则和采用方法…………………………………11
第二节 单片机的选择………………………………………………………12
第三节 存储器的选择………………………………………………………20
第四节 热敏电阻的介绍……………………………………………………23
第五节 A/D及D/A转换器的选用与设计……………………………………25
第三章 恒温控制系统的设计…………………………………………………………29
第一节 恒温控制系统及其特点……………………………………………29
第二节 恒温控制系统的设计…………………………………………………29
第三节 半导体制冷器和驱动电路……………………………………………35
第四节 系统的数学模型………………………………………………………39
第五节 实验方法和结果分析…………………………………………………40
第四章 软件部分设计…………………………………………………………………43
第一节 软件的分析设计及流程图…………………………………………43
第二节 程序的具体编制……………………………………………………44
结束语……………………………………………………………………………………46
附录 AT89C51部分程序清单……………………………………………………………47
参考书目…………………………………………………………………………………50
致谢 ………………………………………………………………………………………51
前言
光纤通信技术发展迅速，目前广泛应用于光纤通信系统的光源器件是采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料InCaAsP/InP制作的激光二极管。InCaAsP/InP材料体系的发光波长正好满足了石英光纤的需要。但是，由于材料本身的特性的限制，该激光器表西那出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作得很好的器件，温度较高时激光射出会明显减少，甚至不能正常工作。为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其恒温工作。
在激光二极管泵浦固体激光器(DPL)中，为实现对激光晶体的谱线耦合，必须调整激光二极管的输出波长使其与激光晶体的吸收峰值匹配。激光二极管的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定，一般通过改变激光二极管的工作温度来微调其输出光的波长，其变化规律大致为0.2～0.3nm/℃。另外，大功率激光二极管正常工作时热耗很大，约占总功耗的50%～75%，若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。所以工作温度对于激光二极管十分重要，必须给激光二级管提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光二极管泵浦固体激光器具有最大的输出功率和最小的功率波动。
以前对大功率激光二极管往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。本文采用半导体制冷器对大功率激光二极管进行制冷和温控，并构成全固态制冷系统。控制核心采用PC机，人机界面友好，控制精度高，用于实验室的大型激光系统效果很好。若采用单片机作为控制系统的核心部件，即可构成小型激光器的实用化系统。
第一章 恒温控制器的性能指标及方案论证
第一节 系统的性能指标
本系统使用MCU机作为控制平台，采用自整定PID算法，采用A/D转换器对环境温度进行采样，数据处理后有LED显示，人机界面好，控制精度高。
系统要求的主要技术参数有：
温度控制范围：-15℃——+80℃
温度控制精度：0.1℃
短期稳定度：0.02℃
长期稳定度：0.05℃
TEC双向电流输出：±2.5A
最大恒流输出电压范围：±8V
最大输出功率：20W
限制电流范围：0——2500mA
增益可调：0——50
积分时间：1S
热敏电阻类型：NTC
