一种基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置及控制方法，该装置包括电源模块、单片机系统、TEC驱动电路、TEC温度控制芯片、导热板、激光二极管、温度传感器系统、键盘控制、显示模块和报警模块；所述单片机系统上连接有键盘控制、报警模块、显示模块和温度传感器系统，所述TEC驱动电路一端连接单片机系统，另一端连接TEC温度控制芯片，TEC温度控制芯片利用硅胶粘贴在导热板的一面，导热板的另一面用硅胶粘贴激光二极管，温度传感器系统中的传感器紧密连接导热板。本发明的控制方法，通过采用温度偏差的绝对值与设定的标准的大小作为选择开关，单片机系统分别采用不同的控制算法对半导体激光器进行温度控制，控制精度高，而且效率大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置及控制方法，属于半导体激光器领域。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，半导体激光器已经广泛地应用于光纤通信、光纤传感和激光雷达等领域，具有广阔的应用前景。温度是影响激光器性能指标的主要因素之一，当激光器的温度升高，其输出波长逐渐向长波长方向漂移，同时，温度控制的精度也影响着激光器的线宽和功率，因此，必需对半导体激光器采用合适的温度控制技术，从而保证半导体激光器或系统能够正常工作。为此，研究人员在温度控制系统方面做了研究工作，获得了一定的进展。2007年，楼祺洪等人提出的申请号为200710045711.0的发明专利，利用电桥驱动芯片设计了热电制冷器的驱动电路，实现了半导体激光器的温度控制；2014年，朱俊提出的半导体激光器自动温度控制系统(申请号：201410480407.9)，采用惠斯通电桥和运算放大器设计的温度检测放大电路，实现半导体激光器温度的控制。

以上的技术具有一定的应用参考价值，但是，这些发明的温度采集电路采用的是模拟电路，因此温度采集电路相对比较复杂，主要是由于温度采集电路利用的是电桥电路造成的，同时没有高精度的算法进行控制，使得在控温过程中会出现温度波动现象，造成激光器温度变化，导致激光器输出的波长、线宽和功率都将出现波动现象，为其后续的系统造成一定的影响。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置及控制方法，通过温度偏差作为选择开关，分别采用不同的控制方法，温度控制精度高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置，包括为整个装置提供电源的电源模块、单片机系统和激光二极管；所述单片机系统上连接有键盘控制、显示模块和温度传感器系统，所述单片机系统与TEC驱动电路一端，TEC驱动电路另一端连接TEC温度控制芯片，TEC温度控制芯片利用硅胶粘贴在导热板的一面，导热板的另一面用硅胶粘贴激光二极管，温度传感器系统中的传感器紧密连接导热板。

作为优选，所述导热板为铝板或紫铜。

作为优选，所述TEC驱动电路包括驱动芯片L298N、电源和若干二极管，所述驱动芯片的第1、8和15引脚接地，第4和9引脚连接电源，第5和7引脚连接单片机系统，第2引脚通过二极管D1连接电源模块，同时第2引脚通过二极管D2接地，第3引脚通过二极管D4连接电源模块，同时第3引脚通过二极管D3接地，第2和3引脚分别连接到所述TEC温度控制芯片的正极和负极。

作为优选，所述单片机系统还与报警系统连接。

一种上述的基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)开机自检，从单片机系统中的数据处理单元的EEPROM存储芯片中读取上次关机时存储的TEC温度控制芯片的温度，若上次关机时没有存储温度则读取开机时当前TEC温度控制芯片的温度，作为第一次系统输出的温度y，通过键盘进行温度的设定，在键盘设置待控温度x；

(2)温度传感器系统采集激光二极管的温度信息后传送给连接的单片机系统，作为系统的当前温度y，计算偏差e(t)＝x-y；

若|e(t)|>ε，偏差阈值ε的大小选择影响控制系统的稳定性和响应度，系统在启动、结束或者大幅度设定时，会引起较大的偏差，造成积分积累，引起较大的超调量和震荡，因此，此时采用积分分离PD控制算法，系统将会出现较快的响应，偏差e(t)经过单片机积分分离PD控制算法输出PWM信号占空比，一方面TEC驱动电路放大PWM信号后驱动TEC温度控制芯片工作，另一方面输出的控制量作为温度信号y反馈到单片机系统中；

若|e(t)|≤ε，偏差e(t)经过单片机PID控制算法输出PWM信号占空比，一方面TEC驱动电路放大PWM信号后驱动TEC温度控制芯片工作，另一方面输出的控制量作为温度信号y反馈到单片机系统中；

(3)重复步骤(2)，直到系统停止工作。

作为优选，所述步骤(2)中PID控制算法中的三个控制参数K_P、K_I和K_D在线整定，ec(t)＝de(t)/dt为系统偏差变化率作模糊PID控制算法的输入，通过模糊推理机制在线整定K_P、K_I和K_D三个控制参数，其中K_P为比例作用系数，K_I为积分作用系数，K_D为微分作用系数。通过模糊推理机制在线整定K_P、K_I和K_D三个控制参数这样既可以减小人为设定过程中产生的调节误差，又可以提高装置的响应时间和控制精度，实现智能控制的要求。

在本发明中，所述温度传感器系统包括温度传感器DS18B20、电源和电阻，温度传感器DS18B20的第1引脚接地，第2引脚连接单片机系统，第3引脚连接电源，第2引脚通过电阻R1连接第3引脚。所述显示模块为液晶显示或LED显示，单片机系统为普通单片机控制器、DSP控制器或ARM控制器中的一种。

在本发明中，偏差阈值的范围为2≤ε≤5，偏差阈值ε的大小选择影响控制系统的稳定性和响应度，系统在启动、结束或者大幅度设定时，会引起较大的偏差，造成积分积累，引起较大的超调量和震荡，因此，此时采用积分分离PD控制算法，系统将会出现较快的响应。

本发明的通过数字电路实现半导体激光器的温度控制功能，大大降低了温度控制装置的复杂性。由于半导体激光器对温度变化非常敏感，因此，温度控制精度要求比较严格，传统的PID控制技术达不到高精度的控制要求，本发明提出了一种模糊控制和PID控制相结合的智能温度控制方法，当温度误差较大时，采用积分分离PD控制，以便快速实现温度的降低，当温度误差进入设定的偏差阈值内，采用模糊PID控制算法，以便降低系统的超调量和实现装置的稳定控制。该方法具有响应速度快、超调量较小、稳定性高的优点。

有益效果：本发明的基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置的控制方法，通过采用温度偏差的绝对值与设定的标准的大小作为选择开关，单片机系统分别采用不同的控制算法对半导体激光器进行温度控制，控制精度高，而且效率大大提高，并且控制系统能够实现数据通信、数据处理及系统控制等处理功能，自动化程度高，速度快测量效率高，误差小，操作方便。

附图说明

图1为本发明的系统连接框图；

图2为实施例中温度传感器系统示意图；

图3为实施例中TEC驱动电路示意图；

图4为实施例中模糊PID控制算法结构示意图；

图5为实施例1中获得的控温数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1至图4所示，包括电源模块100、单片机系统101、TEC驱动电路102、TEC温度控制芯片103、激光二极管104、导热板105、温度传感器系统106、显示模块107、键盘控制108和报警模块109。所述单片机系统上连接有TEC驱动电路102、温度传感器系统106、显示模块107、键盘控制108和报警模块109，TEC驱动电路102一端连接单片机系统101，另一端连接TEC温度控制芯片103，TEC温度控制芯片103利用硅胶粘贴在导热板105的一面，导热板105的另一面用硅胶粘贴激光二极管104，温度传感器系统106中的传感器紧密连接导热板105，温度传感器系统106另一端连接单片机系统101，电源模块100为整个系统供电。

其中，电源模块100选用的是绿扬YB1732A直流稳压电源，单片机系统101包含飞思卡尔单片机MC9S12XS128MAL芯片、时钟电路、复位电路和JIAG结构。TEC温度控制芯片103选用的是半导体制冷片TEC1-12706，导热板105选用的是铝板，

具体的，如图2所示，TEC驱动电路102包括驱动芯片L298N和4个二极管，L298N是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，是15脚Multiwatt封装，其内部包含4通道逻辑驱动电路。内含二个H桥的高电压、大电流双全桥驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。驱动芯片L298N的第1、8和15引脚接地，第4和9引脚连接电源，第5和7引脚连接单片机系统，第2引脚通过二极管D1连接电源，同时第2引脚通过二极管D2接地，第3引脚通过二极管D4连接电源，同时第3引脚通过二极管D3接地，第2和3引脚分别连接到所述TEC温度控制芯片的正极和负极。

如图3所示，温度传感器系统106包括温度传感器DS18B20、电源和电阻R1(10K欧姆)，DS18B20数字温度传感器提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。它的测温范围为-55～+125℃，温度传感器DS18B20的第1引脚接地，第2引脚连接单片机系统，第3引脚连接电源，第2引脚通过电阻R1连接第3引脚。

图4为模糊PID控制算法结构示意图，其中x为系统输入量，在本实施例中为温度传感器检测的激光二极管的温度，y为系统输出量，为单片机经过控制算法处理后的温度，为TEC温度控制芯片的输入温度，e(t)＝x-y为偏差值作积分分离PD控制算法和模糊PID控制算法的输入，ec(t)＝de(t)/dt为系统偏差变化率作模糊PID控制算法的输入，控制开关选择以偏差阈值ε为标准，控制方式在大偏差时(|e|>ε)，选择简单的积分分离PD控制算法的输出量作为控制量u₁，小偏差时(|e|≤ε)则采用模糊PID控制算法输出作为控制量u₂，PID控制算法的三个控制参数(K_P为比例作用系数，K_I为积分作用系数，K_D为微分作用系数)在线整定，进一步完善PID控制算法的性能，改善了温度控制系统的参数变化。该实施例系统设计的两个控制方式，设定当|e|>3(即ε＝3)采取PD控制算法，当|e|≤3(即ε＝3)时采取模糊PID控制算法对温度进行控制。

其温度控制系统的流程为：通过开机自检后，从单片机系统中的数据处理单元的EEPROM存储芯片中读取上次关机时存储的TEC温度控制芯片的温度，若上次关机时没存储温度则读取开机时当前TEC温度控制芯片的温度，通过键盘进行温度的设定，在键盘设置待控温度后，启动模糊PID控制算法，输出的控制量一方面驱动TEC温度控制芯片工作，另一方面信号反馈到温度采集系统进行温度的精确控制。

如图5所示，当开始时半导体激光器的温度为27℃，设定的温度为14℃时，利用本发明的温度控制系统对半导体激光器进行温度控制，半导体激光器的温度与时间的关系如图5所示，从图5可以看出，控制装置的调节时间约为30s，系统无超调量；系统的误差为±0.05℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。