《电气自动化）２０１３年第３５卷第６期 —自动控制系统与装置 Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＣｏｎｔｒｏＩ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎ 基于单片机的激光器精确温度控制系统设计 方瑾孜，王蔚生 （华东师范大学信息科学技术学院，上海摘２００２４１） 要：针对应用于激光光源投影显示的半导体激光器工作温度特性，设计了一种基于单片机ＡＴｍｅｇａｌ６配合温度传感器Ｐｔｌ００和半 导体制冷器ＴＥＣ的温度控制系统。采用遗传算法整定的ＰＩＤ控制算法设计软件，利用Ｈ桥驱动芯片ＤＲＶ５９２以ＰＷＭ方式驱 动ＴＥＣ，实现激光器工作温度控制。实验结果表明运行稳定，温度采集和温度控制精度都可达到±０．１ｑＣ，满足实际激光光源 的投影显示中温度控制要求。 关键词：半导体激光器；半导体制冷器；温度控制；ＰＷＭ驱动；ＰＩＤ控制 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ・ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１３．０６．０３０ ［中图分类号］ＴＮ２４８［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１３）０６—００８２—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｈｉｐ ＭｉＣｒＯｐｒＯＣｅＳＳＯｒ ＦＡＮＧ Ｊｉｎ—ｚｉ．ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊ。ｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＡＴｍｅｇａｌ６ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ＰｔｌＯ０ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ ＴＥＣ．Ｔｈｅ ｋｅｒｎｅｌ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｕｎｅｄ ｂｙ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｈｉｐ ＤＲＶ５９２ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ＴＥＣ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＰＷＭ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｖｅｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ／ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ０．１℃，ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ—ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ；ｓｅｍｉ—ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｏｌｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＷＭ ｄｒｉｖｅ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｉ’ 引 舌 半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、功耗低等优 点，如今采用激光光源的投影显示技术已成为最受关注的下一代 显示高端技术之一。作为激光显示核心的部分，半导体激光器 激光 温度传 …路 ＿。。。。。。。。。。—＿ 感器 ＩＡＩＤ Ｉ ．． 单片机 器 半导体 制冷器 刚…电路 （ＬＤ）的稳定安全工作十分关键。但是激光器工作时，会有相当 部分注入的电功率转化为热量…。随着激光器的温度升高，输出 波长、输出功率等都会受到影响，直接危害到整个显示系统的正 常运行。一般激光光源投影机中所采用的半导体激光器工作温 度范围为２５±２ｃＣ，为了保证激光器能较长时间的稳定工作，要 图１ 半导体激光器温度控制系统框图 ２硬件选取和电路实现 ２．１温度采集电路 铂电阻温度传感器是利用金属铂（Ｐｔ）的电阻值随温度变化 而线性变化的物理特性制作的 Ｊ，拥有精度高，稳定性好，应用温 度范围广等优点，是中低温区最常用的一种温度传感器。Ｐｔ １００ 这个型号的意思就是在０℃时电阻阻值为１００ Ｑ，其电阻变化率 为０．３８５ １ ℃，通过供给的恒定电流１ ｍＡ并检测电压的变化 来获得温度变化。 精确控制其工作时的温度在合适的范围内。 １ 系统设计 传统的激光器制冷方法主要是风冷或水冷，这些方法会有体 积大、噪声高、精确度低等缺点。而本系统所采用的半导体制冷 器ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）是一种利用珀耳帖效应来调节温 度的器件，有着结构简单、体积小、控制精度高、调节速度快等优 点 ，可以通过工作电流来灵活控制温度并且通过改变电流方向 来实现制冷或制热。系统设计以单片机ＡＴｍｅｇａｌ６作为主要控 电压变化差值很微弱只有ｍＶ级别，因此选用仪表放大器 ＡＤ ６２０实现将电压变化差值放大２００倍。ＡＴｍｅｇａｌ６中有支持模 拟信号输入的ＡＤＣ功能接口，ＡＤＣ功能单元通过逐次比较方式 将输入端的模拟电压转换成ｌ０位数字量。利用读取转换后的电 压差值及１ ｍＡ注入电流算出电阻，并根据ＰｔｌＯ０的变化特性算 出温度值，实现温度采集。温度采集电路如图２所示。 制芯片，选用高精度的铂电阻温度传感器Ｐｔｌ００来实时监控激光 器温度变化，并利用软件实现遗传算法优化的ＰＩＤ控制。系统设 计框图如图１。 收稿日期：２０１３—０３—１２ ８２ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 《电气自动化｝２０１３年第３５卷第６期 测量与检测技术 Ｍｅａｓｕ ｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃｓ ＝ ＝ ＋ｚｎ ㈩ 一 ．捌盹腕…一…５ …Ｏ 障 ５ Ｏ Ｃ相测量阻抗能正确反映保护安装处至故障点间的正序阻抗，－ｂ 加）表明当测量元 简化序分量的和量， 目『日］短路 竺竺 苎烹 ，科学，２００９，２７（３）：１９３—１９５． 霎熊 蒜 ≥ 蒜卿 、习嘏 誓餐餐 ．水电能源 选相元件 间短路故障可采用相同方法解决矍登篓 能王 保护安装处的阻抗。 由图２知变压器低压侧发生两 ［４］柏 雾 嚣’ ：二二 薪 氢 保 选 件［Ｊ］．电力系统 相短路故障，当发生ＡＢ、ＣＡ两相短路距离，Ｃ相测！ｉｔ阻抗比Ｚ，， 自动化，２００７，３１（１２）：６５—６８． ＋ｚ 大，但 、Ａ相测量元件能正确反应Ｙｄ１１低压侧故障点至 ４结束语 简化的序分量法只存在零序和正序分量，序网络数目从三个 餮磊主 餮 ｉ 蓍 通大学出版社，２００７． 字－式故障选相元件 中国 Ｍ ．西安：西安交 模故障分量的选相元件¨ ，［６］汤俊，王晓茹，桑丙玉．稳态量分相电流差动保护判据制动特性的改 减少为两个；输电线路均匀换位情况下，简化序分量法可简化计 算，频域变换、时域变换均适用；简化序分量法可用于分析各种短 路故障和断线故障；时域选相原理简单，计算速度快，有利于保护 的快速动作；解决了相间距离保护不能作为Ｙｄ变压器远后备保 护的缺点。 看男 ［９］许正亚．输电线路新型距离保护［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社， ００ ・ 【作者简介】黄兴平（１９９２一）男，福建尤溪人，本科生，电力工程专业。 谢珍贵（１９６５一）男，副教授，福建仙游人，从事电力系统故障分析教学与 研究。 （上接第８３页） 发热源作为系统测试的热源。发热量调整为１ Ｗ左右，环境温度 为２４．２℃，实际测量结果表如下。 表１ 实验时间与温度对应表 ４实验分析 利用ＭＡＴＬＡＢ对遗传算法整定的ＰＩＤ控制和普通ＰＩＤ控制 进行仿真。被控对象半导体激光器温度的变化是个缓慢漂移的 １ ７ 过程，是一个典型的一阶滞后环节，可表示为Ｇ（ｓ）＝÷ 。半 十ｌ 导体制冷器的传递函数近似为Ｇ（ｓ）＝ ｌ二 卞ｌ ，据此算出系统传 实际测量中系统在１．５ ｍｉｎ左右开始稳定，使用１ ｗ恒定功 率发热系统的温控误差在±０．２℃之内。 递函数进行仿真。输入为阶跃信号，采样时间为１０ ｍｓ，图５为遗 传算法整定的ＰＩＤ控制下的相应响应，整定后ＰＩＤ的参数分别为 ＝，５ 结束语 本温度控制系统采用了遗传算法整定的ＰＩＤ控制以及ＰＷＭ 调节制冷器输出的方法，从仿真结果和实验结果可以看出，该系 统取得了良好的控温效果。系统运行稳定、集成度高、精度高、控 温效果好，温度采集和温度控制精度都可达到±０．１℃，满足实际 激光光源的投影显示中温度控制要求。 参考文献： ［１］张悦玲，杨绍岩，张晓娟．基于ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的半导体激光器温控系 统设计［Ｊ］．光电技术应用，２０１２。３１（３）：１０． ［２］意汉维．ｒ半导体制冷器温度控制系统的设汁与实现［Ｄ］．河北：华中 科技大学，２０１０：３—４． ８．１０６ ２，Ｋｉ＝０．９６８ ８，Ｋ，ｌ＝０．６１９ ３。图６为利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真的普通ＰＩＤ控制下的阶跃响应，从仿真图形对比可以清楚的看 出，通过遗传算法优化后，控制的超调量明显降低，调整时间也明 显减少，系统的动、静态性能都有所改善。 …’ ， ７ 遗传算法整定的ＰＩＤ控制下的阶跃响应 ’ ［３］彭雨田，杨机贵，杜平．厚膜铂电阻温度传感器研究［Ｊ］．电子元件与 材料，１９９６，１５（４）：３７—４０． ［４］马良柱，霍佃惯．半导体ＤＦＢ激光器的自动温度控制［Ｊ］．信息与电 子工程．２００９，７（５）：４４３． ［５］范淑敏．遗传算法在ＰＩＤ控制中的应用［Ｄ］．北京：ｊＥ 工业大学， ／ 、 ／ 、 ●２００７：９—１２． ［６］张先武，陈胜石．通信用大功率半导体激光器的温控系统［Ｊ］．应用光 学，２０００。２１（５）：５． ［７］李茜．半导体激光器温度控制系统的研究［Ｄ］．河北：燕ＪＵ大学。 ２０ｌＯ．】９—２】． １ｔ ｔ ６… …． 。 璺……， 。方瑾 ％ 女’肝扛人’研究生在读’研究方向为信息 。… ～ 由于半导体激光器的实验环境较严格，本实验中利用可调的 ９２ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ