基于單片機(jī)的激光器精確溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

方瑾孜，王蔚生

（華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

0 引言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低等優(yōu)點，如今采用激光光源的投影顯示技術(shù)已成為最受關(guān)注的下一代顯示高端技術(shù)之一。作為激光顯示核心的部分，半導(dǎo)體激光器（LD）的穩(wěn)定安全工作十分關(guān)鍵。但是激光器工作時，會有相當(dāng)部分注入的電功率轉(zhuǎn)化為熱量［1］。隨著激光器的溫度升高，輸出波長、輸出功率等都會受到影響，直接危害到整個顯示系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一般激光光源投影機(jī)中所采用的半導(dǎo)體激光器工作溫度范圍為25±2℃，為了保證激光器能較長時間的穩(wěn)定工作，要精確控制其工作時的溫度在合適的范圍內(nèi)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的激光器制冷方法主要是風(fēng)冷或水冷，這些方法會有體積大、噪聲高、精確度低等缺點。而本系統(tǒng)所采用的半導(dǎo)體制冷器TEC（Thermoelectric Cooler）是一種利用珀耳帖效應(yīng)來調(diào)節(jié)溫度的器件，有著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制精度高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點［2］，可以通過工作電流來靈活控制溫度并且通過改變電流方向來實現(xiàn)制冷或制熱。系統(tǒng)設(shè)計以單片機(jī)ATmega16作為主要控制芯片，選用高精度的鉑電阻溫度傳感器Pt100來實時監(jiān)控激光器溫度變化，并利用軟件實現(xiàn)遺傳算法優(yōu)化的PID控制。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1。

圖1 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)框圖

2 硬件選取和電路實現(xiàn)

2.1 溫度采集電路

鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑（Pt）的電阻值隨溫度變化而線性變化的物理特性制作的［3］，擁有精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣等優(yōu)點，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。Pt 100這個型號的意思就是在0℃時電阻阻值為100 Ω，其電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，通過供給的恒定電流1 mA并檢測電壓的變化來獲得溫度變化。

電壓變化差值很微弱只有mV級別，因此選用儀表放大器AD 620實現(xiàn)將電壓變化差值放大200倍。ATmega16中有支持模擬信號輸入的ADC功能接口，ADC功能單元通過逐次比較方式將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字量。利用讀取轉(zhuǎn)換后的電壓差值及1 mA注入電流算出電阻，并根據(jù)Pt100的變化特性算出溫度值，實現(xiàn)溫度采集。溫度采集電路如圖2所示。

圖2 溫度采集電路

2.2 溫度控制電路

半導(dǎo)體制冷器TEC具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)精確等優(yōu)點，很適合作為激光器的溫度調(diào)節(jié)元件。本系統(tǒng)采用的型號是TEC1－12703，其允許通過的最大電流為3 A，最高控制溫度可達(dá)67℃，滿足系統(tǒng)所需。TEC的驅(qū)動方法可分為線性驅(qū)動和脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動［4］。傳統(tǒng)的線性驅(qū)動雖然具有設(shè)計制造容易的優(yōu)點，但功率效率低且控制精度不高，而PWM驅(qū)動可以很明顯的降低熱量損耗且集成度高，是較好的驅(qū)動方案。

TI公司出品的DRV592是一款高效率大電流的H橋電源驅(qū)動芯片，該芯片最大輸出電流±3 A，并帶有過流保護(hù)和過溫保護(hù)，適合于驅(qū)動各種型號的制冷片。ATmega16在接收到溫度采集電路收集的信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并輸出相應(yīng)的PWM信號驅(qū)動DRV592控制TEC進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。溫度控制電路如圖3所示。

圖3 溫度控制電路

3 算法介紹和軟件實現(xiàn)

3.1 PID遺傳算法介紹

PID（比例－積分－微分）控制是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣的策略之一。常規(guī)的PID傳遞函數(shù)形式為:

式中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。PID控制擁有很多優(yōu)點，例如三個參數(shù)Kp，Ki，Kd相互獨立，參數(shù)整定方便，PID算法實現(xiàn)容易，計算工作量小等。對于PID控制的參數(shù)優(yōu)化會直接影響到系統(tǒng)控制效果的好壞，因此選取合適的優(yōu)化方案十分重要。

遺傳算法（Genetic Algorithms）是模擬自然界遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論而形成的一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化算法。它引入生物學(xué)中“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的原理來優(yōu)化參數(shù)形成的編碼群體，按所選擇的適配函數(shù)通過復(fù)制、交叉和變異對個體進(jìn)行篩選，經(jīng)過一定次數(shù)篩選和群體重組之后得到全局最優(yōu)解［5］?；谶z傳算法的PID整定主要有以下優(yōu)點:克服了參數(shù)初值敏感的問題;操作方便，計算速度快;適用于多點并行操作。因此本系統(tǒng)選用遺傳算法來優(yōu)化參數(shù)Kp、Ki、Kd。遺傳算法的主要流程步驟如下:

確定三個參數(shù)的范圍和編碼長度，確定編碼解碼方法，進(jìn)行編碼。為得到最優(yōu)的控制參數(shù)，即滿足約束條件下使適應(yīng)函數(shù)f（x）達(dá)到最大時的參數(shù)，要確定好目標(biāo)函數(shù)J（x）（f（x）的倒數(shù)）作為選取參數(shù)的最優(yōu)指標(biāo)。

隨機(jī)產(chǎn)生n個個體組成的初始種群P（0），每個個體包含三個參數(shù)（Kp、Ki、Kd）。

將種群中的個體解碼，利用對應(yīng)的參數(shù)值以及采集到的誤差值求取目標(biāo)函數(shù)J（x）。

利用適配值篩選個體，對種群進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異的操作，產(chǎn)生下一代種群P（t+1）。

重復(fù)步驟（3）和（4），直至進(jìn)化的代數(shù)足夠，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，尋優(yōu)結(jié)束。

3.2 軟件實現(xiàn)

半導(dǎo)體激光器的溫度數(shù)學(xué)模型具有不確定性，激光器的溫度隨注入電流大小的不同變化趨勢會不同［6］。因此我們選用遺傳算法優(yōu)化的PID控制來迅速調(diào)控不同工作狀態(tài)下的激光器的溫度。因為選用的激光器工作范圍為25±2℃，所以將標(biāo)準(zhǔn)溫度T設(shè)置為25℃，將讀入溫度Tn與標(biāo)準(zhǔn)溫度T的偏差作為PID控制的輸入。因此PID調(diào)整的公式可以整理為:

利用通過遺傳算法整定后的參數(shù)Kpid，可以求得調(diào)整量。參考制冷片的溫度控制曲線將調(diào)整量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM波占空比。根據(jù)溫度偏差的不同決定制冷或制熱，通過不同的端口輸出波形驅(qū)動DRV592。軟件系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實驗分析

利用MATLAB對遺傳算法整定的PID控制和普通PID控制進(jìn)行仿真。被控對象半導(dǎo)體激光器溫度的變化是個緩慢漂移的過程，是一個典型的一階滯后環(huán)節(jié)，可表示為G（s）=［7］。半導(dǎo)體制冷器的傳遞函數(shù)近似為G（s）=，據(jù)此算出系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真。輸入為階躍信號，采樣時間為10 ms，圖5為遺傳算法整定的PID控制下的相應(yīng)響應(yīng)，整定后PID的參數(shù)分別為Kp=8.106 2，Ki=0.968 8，Kd=0.619 3。圖 6 為利用 Simulink 仿真的普通PID控制下的階躍響應(yīng)，從仿真圖形對比可以清楚的看出，通過遺傳算法優(yōu)化后，控制的超調(diào)量明顯降低，調(diào)整時間也明顯減少，系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能都有所改善。

5 遺傳算法整定的PID控制下的階躍響應(yīng)

圖6 普通PID控制下的階躍響應(yīng)

由于半導(dǎo)體激光器的實驗環(huán)境較嚴(yán)格，本實驗中利用可調(diào)的發(fā)熱源作為系統(tǒng)測試的熱源。發(fā)熱量調(diào)整為1 W左右，環(huán)境溫度為24.2℃，實際測量結(jié)果表如下。

表1 實驗時間與溫度對應(yīng)表

實際測量中系統(tǒng)在1.5 min左右開始穩(wěn)定，使用1 W恒定功率發(fā)熱系統(tǒng)的溫控誤差在±0.2℃之內(nèi)。

5 結(jié)束語

本溫度控制系統(tǒng)采用了遺傳算法整定的PID控制以及PWM調(diào)節(jié)制冷器輸出的方法，從仿真結(jié)果和實驗結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)取得了良好的控溫效果。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、集成度高、精度高、控溫效果好，溫度采集和溫度控制精度都可達(dá)到±0.1℃，滿足實際激光光源的投影顯示中溫度控制要求。

［1］張悅玲，楊紹巖，張曉娟.基于MSP430F449的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2012，31（3）:10.

［2］童漢維.半導(dǎo)體制冷器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.河北:華中科技大學(xué)，2010:3－4.

［3］彭雨田，楊機(jī)貴，杜平.厚膜鉑電阻溫度傳感器研究［J］.電子元件與材料，1996，15（4）:37 －40.

［4］馬良柱，霍佃恒.半導(dǎo)體DFB激光器的自動溫度控制［J］.信息與電子工程.2009，7（5）:443.

［5］范淑敏.遺傳算法在PID控制中的應(yīng)用［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2007:9－12.

［6］張先武，陳勝石.通信用大功率半導(dǎo)體激光器的溫控系統(tǒng)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2000，21（5）:5.

［7］李茜.半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的研究［D］.河北:燕山大學(xué)，2010:19－21.