一種基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置及控制方法，屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和激光雷達(dá)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。溫度是影響激光器性能指標(biāo)的主要因素之一，當(dāng)激光器的溫度升高，其輸出波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，同時(shí)，溫度控制的精度也影響著激光器的線寬和功率，因此，必需對(duì)半導(dǎo)體激光器采用合適的溫度控制技術(shù)，從而保證半導(dǎo)體激光器或系統(tǒng)能夠正常工作。為此，研究人員在溫度控制系統(tǒng)方面做了研究工作，獲得了一定的進(jìn)展。2007年，樓祺洪等人提出的申請(qǐng)?zhí)枮?00710045711.0的發(fā)明專利，利用電橋驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了熱電制冷器的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的溫度控制；2014年，朱俊提出的半導(dǎo)體激光器自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)(申請(qǐng)?zhí)?201410480407.9)，采用惠斯通電橋和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)放大電路，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器溫度的控制。
[0003]以上的技術(shù)具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值，但是，這些發(fā)明的溫度采集電路采用的是模擬電路，因此溫度采集電路相對(duì)比較復(fù)雜，主要是由于溫度采集電路利用的是電橋電路造成的，同時(shí)沒(méi)有高精度的算法進(jìn)行控制，使得在控溫過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)現(xiàn)象，造成激光器溫度變化，導(dǎo)致激光器輸出的波長(zhǎng)、線寬和功率都將出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，為其后續(xù)的系統(tǒng)造成一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置及控制方法，通過(guò)溫度偏差作為選擇開(kāi)關(guān)，分別采用不同的控制方法，溫度控制精度高。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置，包括為整個(gè)裝置提供電源的電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和激光二極管；所述單片機(jī)系統(tǒng)上連接有鍵盤(pán)控制、顯示模塊和溫度傳感器系統(tǒng)，所述單片機(jī)系統(tǒng)與TEC驅(qū)動(dòng)電路一端，TEC驅(qū)動(dòng)電路另一端連接TEC溫度控制芯片，TEC溫度控制芯片利用硅膠粘貼在導(dǎo)熱板的一面，導(dǎo)熱板的另一面用硅膠粘貼激光二極管，溫度傳感器系統(tǒng)中的傳感器緊密連接導(dǎo)熱板。
[0006]作為優(yōu)選，所述導(dǎo)熱板為鋁板或紫銅。
[0007]作為優(yōu)選，所述TEC驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)芯片L298N、電源和若干二極管，所述驅(qū)動(dòng)芯片的第1、8和15引腳接地，第4和9引腳連接電源，第5和7引腳連接單片機(jī)系統(tǒng)，第2引腳通過(guò)二極管Dl連接電源模塊，同時(shí)第2引腳通過(guò)二極管D2接地，第3引腳通過(guò)二極管D4連接電源模塊，同時(shí)第3引腳通過(guò)二極管D3接地，第2和3引腳分別連接到所述TEC溫度控制芯片的正極和負(fù)極。
[0008]作為優(yōu)選，所述單片機(jī)系統(tǒng)還與報(bào)警系統(tǒng)連接。
[0009]—種上述的基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0010](I)開(kāi)機(jī)自檢，從單片機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理單元的EEPROM存儲(chǔ)芯片中讀取上次關(guān)機(jī)時(shí)存儲(chǔ)的TEC溫度控制芯片的溫度，若上次關(guān)機(jī)時(shí)沒(méi)有存儲(chǔ)溫度則讀取開(kāi)機(jī)時(shí)當(dāng)前TEC溫度控制芯片的溫度，作為第一次系統(tǒng)輸出的溫度y，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行溫度的設(shè)定，在鍵盤(pán)設(shè)置待控溫度X ;
[0011](2)溫度傳感器系統(tǒng)采集激光二極管的溫度信息后傳送給連接的單片機(jī)系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的當(dāng)前溫度y，計(jì)算偏差e(t) = x-y ；
[0012]若|e(t) |> ε，偏差閾值ε的大小選擇影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)度，系統(tǒng)在啟動(dòng)、結(jié)束或者大幅度設(shè)定時(shí)，會(huì)引起較大的偏差，造成積分積累，引起較大的超調(diào)量和震蕩，因此，此時(shí)采用積分分離H)控制算法，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)較快的響應(yīng)，偏差e⑴經(jīng)過(guò)單片機(jī)積分分離H)控制算法輸出PffM信號(hào)占空比，一方面TEC驅(qū)動(dòng)電路放大PffM信號(hào)后驅(qū)動(dòng)TEC溫度控制芯片工作，另一方面輸出的控制量作為溫度信號(hào)y反饋到單片機(jī)系統(tǒng)中；
[0013]若|e(t) I ( t，偏差e(t)經(jīng)過(guò)單片機(jī)PID控制算法輸出PffM信號(hào)占空比，一方面TEC驅(qū)動(dòng)電路放大PffM信號(hào)后驅(qū)動(dòng)TEC溫度控制芯片工作，另一方面輸出的控制量作為溫度信號(hào)I反饋到單片機(jī)系統(tǒng)中；
[0014](3)重復(fù)步驟(2)，直到系統(tǒng)停止工作。
[0015]作為優(yōu)選，所述步驟(2)中PID控制算法中的三個(gè)控制參數(shù)KP、K#P Kd在線整定，ec (t) = de (t) /dt為系統(tǒng)偏差變化率作模糊PID控制算法的輸入，通過(guò)模糊推理機(jī)制在線整定KP、KjP K D三個(gè)控制參數(shù)，其中K P為比例作用系數(shù)，K工為積分作用系數(shù)，K D為微分作用系數(shù)。通過(guò)模糊推理機(jī)制在線整定KP、KjP Kd三個(gè)控制參數(shù)這樣既可以減小人為設(shè)定過(guò)程中產(chǎn)生的調(diào)節(jié)誤差，又可以提高裝置的響應(yīng)時(shí)間和控制精度，實(shí)現(xiàn)智能控制的要求。
[0016]在本發(fā)明中，所述溫度傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器DS18B20、電源和電阻，溫度傳感器DS18B20的第I引腳接地，第2引腳連接單片機(jī)系統(tǒng)，第3引腳連接電源，第2引腳通過(guò)電阻Rl連接第3引腳。所述顯示模塊為液晶顯示或LED顯示，單片機(jī)系統(tǒng)為普通單片機(jī)控制器、DSP控制器或ARM控制器中的一種。
[0017]在本發(fā)明中，偏差閾值的范圍為2 < ε <5，偏差閾值ε的大小選擇影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)度，系統(tǒng)在啟動(dòng)、結(jié)束或者大幅度設(shè)定時(shí)，會(huì)引起較大的偏差，造成積分積累，引起較大的超調(diào)量和震蕩，因此，此時(shí)采用積分分離H)控制算法，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)較快的響應(yīng)。
[0018]本發(fā)明的通過(guò)數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的溫度控制功能，大大降低了溫度控制裝置的復(fù)雜性。由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度變化非常敏感，因此，溫度控制精度要求比較嚴(yán)格，傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)達(dá)不到高精度的控制要求，本發(fā)明提出了一種模糊控制和PID控制相結(jié)合的智能溫度控制方法，當(dāng)溫度誤差較大時(shí)，采用積分分離H)控制，以便快速實(shí)現(xiàn)溫度的降低，當(dāng)溫度誤差進(jìn)入設(shè)定的偏差閾值內(nèi)，采用模糊PID控制算法，以便降低系統(tǒng)的超調(diào)量和實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定控制。該方法具有響應(yīng)速度快、超調(diào)量較小、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]有益效果:本發(fā)明的基于模糊控制的半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置的控制方法，通過(guò)采用溫度偏差的絕對(duì)值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)的大小作為選擇開(kāi)關(guān)，單片機(jī)系統(tǒng)分別采用不同的控制算法對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度控制，控制精度高，而且效率大大提高，并且控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制等處理功能，自動(dòng)化程度高，速度快測(cè)量效率高，誤差小，操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)連接框圖；
[0021]圖2為實(shí)施例中溫度傳感器系統(tǒng)示意圖；
[0022]圖3為實(shí)施例中TEC驅(qū)動(dòng)電路示意圖；
[0023]圖4為實(shí)施例中模糊PID控制算法結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5為實(shí)施例1中獲得的控溫?cái)?shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1
[0027]如圖1至圖4所示，包括電源模塊100、單片機(jī)系統(tǒng)10UTEC驅(qū)動(dòng)電路102、TEC溫度控制芯片103、激光二極管104、導(dǎo)熱板105、溫度傳感器系統(tǒng)106、顯示模塊107、鍵盤(pán)控制108和報(bào)警模塊109。所述單片機(jī)系統(tǒng)上連接有TEC驅(qū)動(dòng)電路102、溫度傳感器系統(tǒng)106、顯示模塊107、鍵盤(pán)控制108和報(bào)警模塊109，TEC驅(qū)動(dòng)電路102 —端連接單片機(jī)系統(tǒng)101，另一端連接TEC溫度控制芯片103，TEC溫度控制芯片103利用硅膠粘貼在導(dǎo)熱板105的一面，導(dǎo)熱板105的另一面用硅膠粘貼激光二極管