TEC的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

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(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,江蘇 南京 2100441)

TEC的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

孫冬嬌1，劉清惓1，夏江濤2

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,江蘇 南京 2100441)

溫度控制對半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用質(zhì)量有著重要作用。設(shè)計并實現(xiàn)了基于溫度傳感器和單片機的溫度測量和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MSP430F149單片機進(jìn)行控制，用PT1000進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，使用TEC制冷片調(diào)整溫度，達(dá)到對半導(dǎo)體激光器環(huán)境溫度實時監(jiān)控的目的。分析了系統(tǒng)中各電路模塊的工作原理和設(shè)計依據(jù)，給出了電路結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，該恒溫控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測量控制誤差不大于0.01℃。

溫度測量；恒溫控制；MSP430；PT1000；TEC；半導(dǎo)體激光器

0 引言

半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它具有波長范圍寬、成本低、體積小和壽命長等特點，在激光測距、激光雷達(dá)、激光通信及激光制導(dǎo)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。而溫度特性是半導(dǎo)體激光器的主要特性之一，不但閾值電流和輸出光功率受到工作溫度的制約，而且溫度變化還會影響到激光器的發(fā)射波長及其模式特性。一般情況下，隨著溫度的升高將出現(xiàn)波長漂移，發(fā)光波長隨溫度變化為0.2～0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，溫度每升高1℃，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右。因此，采用良好的散熱和恒溫系統(tǒng)對于保證半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定可靠運行具有重要的意義[1-2]。

針對上述的問題，結(jié)合單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計了一種基于半導(dǎo)體制冷片(TEC)的恒溫控制系統(tǒng)。利用溫度傳感器獲得實時溫度，由單片機控制TEC驅(qū)動電路以實現(xiàn)加熱或制冷，以實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度恒定[3-4]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

恒溫控制系統(tǒng)由單片機控制器、溫度測量電路、TEC驅(qū)動電路、鍵盤及顯示電路等構(gòu)成。如圖1所示。為提高恒溫控制的效果，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的尺寸加工銅導(dǎo)熱載體，將激光器嵌入銅載體中，保證良好的接觸。同時采用4個TEC致冷片分別固定在銅載體的4面，每個TEC上安裝有散熱片和小型風(fēng)扇，這樣既可以保證有效的溫控效果，也可以為TEC提供良好的散熱，以延長使用壽命。溫度傳感器放置在銅載體中，傳感器電路的輸出信號由MSP430F149內(nèi)置的ADC模塊采樣，再將采樣數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度比較，形成反饋信號，控制TEC驅(qū)動電路的工作狀態(tài)，以實現(xiàn)加熱或制冷。系統(tǒng)的鍵盤模塊和LCD顯示模塊用于設(shè)定恒溫值和狀態(tài)顯示等功能。

圖1 恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 溫度傳感器電路

金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，具有良好的長期穩(wěn)定性。通常使用的鉑電阻PT1000溫度傳感器在工作溫度范圍內(nèi)具有良好的線性特征，在0℃時阻值為1000Ω，100℃時阻值為1385.1Ω，電阻變化率為3.851Ω/℃[5-6]。

溫度測量電路采用恒流源驅(qū)動鉑電阻傳感器的方案，將隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成變化的輸出電壓信號。恒流源的穩(wěn)定性和精度對測溫電路的精度有重要影響。因此,選用TI公司的電流源芯片REF200作為驅(qū)動源。REF200內(nèi)部由2個100μA的電流源和1個鏡像電流源組成，具有很強的抗干擾能力和很低的溫漂[7-8]。

溫度測量電路如圖2所示。REF200芯片的2路100μA電流源并聯(lián)在一起驅(qū)動電阻傳感器RTD，鏡像電流源驅(qū)動精密電阻RS等于RTD在0℃時的阻值1000Ω。RTD和RS的對地電壓接入儀用放大器AD620的2個輸入端進(jìn)行差分放大，這樣就可以直接把電阻的變化值轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且此電路結(jié)構(gòu)可以有效地克服導(dǎo)線電阻和自然效應(yīng)對測量精度的影響。AD620為三運放結(jié)構(gòu)的儀用放大器，僅需要一個外置電阻R1就可以改變放大倍數(shù)，很方便地調(diào)整輸出電壓Vout的范圍，以適應(yīng)ADC電路的輸入范圍要求。因此，測溫電路輸出電壓Vout與溫度傳感器的電阻變化值ΔRTD之間的關(guān)系為：

Vout=Gain·200·ΔRTD

(1)

Gain為儀用放大器的放大倍數(shù)。

圖2 溫度測量電路

1.3 TEC驅(qū)動電路

系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體致冷片(TEC)實現(xiàn)恒溫系統(tǒng)的加熱和制冷。TEC是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的，當(dāng)直流電流通過時，其一端吸熱，一端放熱。TEC的加熱與制冷以及工作速率，由通過它的電流方向和大小來決定。總之，TEC體積小、速度快和控制方便，非常適合小型設(shè)備的恒溫控制系統(tǒng)。但需要注意的是，由于TEC是熱傳遞器件。因此,使用時應(yīng)保證各接觸面良好接觸。為了有更好的使用效果，應(yīng)采用散熱片和風(fēng)扇來主動散熱[9-10]。

系統(tǒng)的TEC驅(qū)動電路如圖3所示。單片機P30、P312個I/O口分別實現(xiàn)制冷和加熱的功能控制，通過電壓比較器和分壓電路分別控制中功率三極管Q1和Q2的通斷。Q1和Q2分別為NPN和PNP中功率三極管，構(gòu)成對稱的驅(qū)動電路，可以為TEC提供2個方向的大電流。R2,R3和R4均為大功率小阻值的限流電阻，可以防止電流過載，對電路起到保護作用。控制系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式控制TEC驅(qū)動電路，由單片機控制輸出I/O的PWM信號占空比來改變輸出脈沖的寬度，對驅(qū)動電路的輸出大小進(jìn)行控制。這樣就可以控制TEC的輸出功率，進(jìn)行溫度的粗調(diào)和微調(diào)。粗調(diào)可以使TEC快速升溫或降溫，而微調(diào)則有利于保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定。

圖3 TEC驅(qū)動電路

1.4 控制器及其他電路

系統(tǒng)選擇TI公司推出的MSP430F1××系列單片機為核心來構(gòu)建控制器電路。16位的MSP430單片機，是低功耗高速單片機，具有處理能力強、功耗低等優(yōu)勢。MSP430單片機片內(nèi)資源豐富，包含定時器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器和信息存儲器等模塊，且接口豐富，與傳感器電路等外圍電路具有很好的硬件接口[11-13]。

系統(tǒng)選用的單片機型號為MSP430F149。MSP430F149內(nèi)部集成了12位高精度ADC模塊，可以同時對8路模擬信號進(jìn)行采樣。因此,系統(tǒng)直接采用MSP430的內(nèi)置ADC模塊對溫度傳感器電路的輸出電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號由P1.1引腳輸入單片機，參考電壓選擇單片機內(nèi)部參考電壓。

單片機的I/O引腳P4.0～P4.6用于構(gòu)成非編碼鍵盤，實現(xiàn)系統(tǒng)啟停、預(yù)設(shè)溫度增減和設(shè)定等功能。同時為了保證可靠性，鍵盤部分采用硬件去抖的方法，即使用RS觸發(fā)器來去除抖動。在系統(tǒng)上電后，可以根據(jù)需要人工通過鍵盤設(shè)定恒溫系統(tǒng)的溫度值，再讓進(jìn)入自動監(jiān)控狀態(tài)。

系統(tǒng)選用液晶顯示模塊LCD12864實時顯示溫度狀態(tài)。LCD12864模塊可采用并行或串行接口，顯示分辨率為128×64，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低和性能可靠等優(yōu)點，足夠滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。為簡化電路節(jié)約I/O資源，系統(tǒng)采用串行接口，由單片機的P2.0、P2.1、P2.23個輸出I/O端對LCD顯示模塊進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控制器采用MSP430F149低功耗單片機，在非工作狀態(tài)，可以被置于低功耗模式，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)中斷到來時，可以喚醒控制器進(jìn)入工作周期。在工作周期中，單片機處于巡檢工作狀態(tài)，首先開啟內(nèi)置的ADC模塊，對PT1000溫度傳感器電路的輸出電壓信號Vout進(jìn)行采集。經(jīng)過內(nèi)部運算后，得到測量點的當(dāng)前溫度值T，然后與預(yù)設(shè)的溫度值T0比較，再根據(jù)差值的正負(fù)及大小范圍輸出相應(yīng)的PWM信號，進(jìn)而控制TEC驅(qū)動電路工作。預(yù)設(shè)的溫度值T0可以選擇程序預(yù)置值，也可以通過鍵盤輸入修改。PWM信號的占空比，與程序設(shè)置的差值大小范圍有關(guān)，在差值較大時，PWM信號的占空比較大，反之較小，最終使得環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值T0，控制器可以輸出占空比很小的脈沖以維持溫度的動態(tài)平衡。恒溫控制系統(tǒng)電路上電后，即可轉(zhuǎn)入自動工作模式，完全由控制器MSP430單片機控制全系統(tǒng)的工作，具體的控制流程如圖4所示[14-15]。

圖4 控制系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，完成硬件模塊的連接，系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用IAR Embedded Workbench集成環(huán)境。在恒溫控制系統(tǒng)的實驗測試中，為檢驗系統(tǒng)溫度的控制精度，采用高精度的數(shù)字溫度計，同時對恒溫模塊進(jìn)行多次測量并計算出最大的偏離值。

系統(tǒng)采用的溫度傳感器PT1000是溫度系數(shù)TCR=0.003851的鉑電阻，其溫度電阻特性為：

當(dāng)-200℃

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(2)

當(dāng)0℃

Rt=R0[1+At+Bt2]

(3)

Rt為鉑電阻在t℃時的電阻值；R0=1000Ω為其在0℃時的電阻值，系數(shù)值A(chǔ)=3.9083×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4。

半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的溫控范圍一般在0～50℃，則鉑電阻阻值變化范圍為1000～1193.971Ω。因此,鉑電阻的變化值為0～193.971Ω。由于恒流源電流為200μA，放大電路的放大倍數(shù)為50倍，則溫度測量電路的輸出電壓范圍為0～1.939 71V。MSP430單片機的內(nèi)置ADC選擇內(nèi)置基準(zhǔn)電壓2.5V，可以滿足系統(tǒng)的要求。

實驗中，分別預(yù)設(shè)恒定溫度為10℃,20℃,30℃,40℃和50℃。在每個預(yù)設(shè)恒定溫度實驗中，待系統(tǒng)溫度達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定后，利用高精度數(shù)字溫度計每隔30s測量一次溫度，共測量10次，最后將10個數(shù)據(jù)求出平均值和平均波動值，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可知，平均波動值均小于0.05℃，系統(tǒng)的恒溫效果明顯。

表1 系統(tǒng)測量結(jié)果 ℃

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用200μA恒流源驅(qū)動的PT1000鉑電阻實時測量半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度，由MSP430F149單片機采集溫度值，然后根據(jù)采集溫度與預(yù)設(shè)溫度的關(guān)系，輸出一定的PWM脈沖，控制TEC驅(qū)動電路的開啟時間，驅(qū)動TEC模塊對半導(dǎo)體激光器周圍的銅載體加熱或制冷，已達(dá)到恒溫的目的。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制精度較高，可使恒溫系統(tǒng)的溫度波動范圍小于0.05℃，有效提高了半導(dǎo)體激光器工作環(huán)境的穩(wěn)定性。本設(shè)計方案也可以很方便地移植到其他類似的恒溫系統(tǒng)控制中，具有一定的應(yīng)用前景和參考價值。

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Design of Constant Temperature Control System for Semiconductor Lasers Based on TEC

SUNDongjiao1,LIUQingquan1,XIAJiangtao2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanijing 210044,China;2.School of Physics and Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

The temperature control has an important role on the application quality of the semiconductor lasers.The paper designs and realizes the real-time temperature measurement and control system based on the temperature sensor and SCM.To achieve the purpose of real-time semiconductor lasers ambient temperature monitoring,MSP430F149 microcomputer is implemented to control the system,PT1000is installed to realize the function of temperature data collection,and TEC cooling chip is used to adjust the temperature.It analyzes the operation principles and design basis of the functional circuits in the system,it also gives the circuit structures and parameters.Experimental results show that this constant temperature control system has stable performances and high reliabilities,its errors is not greater than 0.01℃.

temperature measurement;constant temperature control;MSP430;PT1000;TEC;semiconductor lasers

2014-03-10

南京信息工程大學(xué)實驗室開放項目(12KF018) ；南京信息工程大學(xué)教改項目(10JY014)

TP271

B

1001-2257(2014)08-0052-04

孫冬嬌(1976-)，女，青海西寧人，實驗師，碩士，研究方向為電子信息工程。