光纖半導(dǎo)體激光器溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

摘 要： 針對光纖半導(dǎo)體激光器溫度控制裝置溫度調(diào)節(jié)非線性、滯后、范圍較窄、精度較低的問題，設(shè)計(jì)光纖半導(dǎo)體激光器溫度智能控制系統(tǒng)。采用STC89C52單片機(jī)微處理器控制溫度的方法，用溫度傳感器DS18B20采集半導(dǎo)體激光器的溫度傳送給單片機(jī)，通過PID數(shù)字控制，控制半導(dǎo)體制冷器的工作。使半導(dǎo)體激光器的溫度穩(wěn)定到設(shè)定值。通過Protues仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)溫度控制的范圍較大，檢測控制速度快，精度高，給現(xiàn)代光纖半導(dǎo)體激光器溫度的智能控制提供一種可行方案。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體激光器； 智能溫度控制； 微處理器； Protues仿真

中圖分類號： TN248.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0120?03

Abstract： In order to solve the problems of nonlinearity， time delay， narrow range， low precision in temperature regulation of temperature control device of fiber semiconductor laser， a intelligent temperature control system for fiber?optic semiconductor laser was designed. The temperature control method of using single?chip microprocessor STC89C52 is adopted. sampling of with The temperature sensor DS18B20 is used to collect temperature of the semiconductor laser and then transmit the temperature information to STC89C52. The semiconductor cooler is controlled with PID digital control technology to make the temperature of the semiconductor laser to be stabilized to the set value. Protues simulation results indicate that the temperature control system’s control range is wide， control speed is fast and accuracy is high. Theresearch provided a feasible scheme for intelligent temperature control of modern fiber?optic semiconductor laser.

Keywords： semiconductor laser； intelligent temperature control； microprocessor； Protues emulation

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)通信的速度與質(zhì)量也提出了越來越高的要求，現(xiàn)在已有的通信技術(shù)與傳輸網(wǎng)絡(luò)線路已經(jīng)越來越滿足不了社會發(fā)展的要求。光纖通信的高速傳輸、強(qiáng)抗干擾性與優(yōu)良的通信質(zhì)量使得光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會通信的一種主流技術(shù)與趨勢，而且發(fā)展?jié)摿艽?，必將成為未來通信技術(shù)的主力軍。因?yàn)楣饫w通信的優(yōu)良性，它對技術(shù)提出了較高的要求，在光纖通信中半導(dǎo)體激光器（LD）溫度的控制就是光纖技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難題。一般來說半導(dǎo)體激光器的功率有20%～30%會轉(zhuǎn)化為熱量，所以LD會持續(xù)升溫，所以要對LD溫度進(jìn)行控制[1?4]。傳統(tǒng)的的溫度控制技術(shù)有其自身的局限性，溫度控制的可調(diào)范圍不大，而且溫度控制的精度也不高；半導(dǎo)體對溫度特性是很敏感的，而這會引起LD閾值電流的波動、發(fā)射波長紅移、造成模式的不穩(wěn)定、光纖通信質(zhì)量變差、增加內(nèi)部缺陷、嚴(yán)重影響器件的壽命、給應(yīng)用帶來極大的困難，滿足不了社會發(fā)展的要求。本文設(shè)計(jì)一種基于STC89C52單片機(jī)微處理器控制的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了數(shù)字PID的控制方法，結(jié)合TEC制冷技術(shù)。系統(tǒng)通過控制半導(dǎo)體制冷器的運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果表明采用數(shù)字PID的自動控制方法，對半導(dǎo)體激光器溫度的智能控制溫度控制的范圍較大，精度也較高。給現(xiàn)代光纖通信LD溫度的智能控制提供了一種可行的方案[5?8]。

1 光纖光源自動溫度控制方案的設(shè)計(jì)

為了提高控溫精度，通常采用閉環(huán)負(fù)反饋溫控系統(tǒng)。負(fù)反饋可以減小溫度偏差，使被控對象的溫度在所要求的控溫精度范圍內(nèi)變化。圖1是閉環(huán)控制溫控系統(tǒng)框圖[9]。此溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用降溫來實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定，通過單片機(jī)控制驅(qū)動電路?？刂扑鶐Э刂齐娐穭幼鳎瑢?shí)現(xiàn)降溫功能，達(dá)到溫控目的。溫度控制系統(tǒng)就是將測得的實(shí)時(shí)溫度送到單片機(jī)中與設(shè)定溫度比較并進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)化，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整溫度。將該系統(tǒng)接入電源后，當(dāng)實(shí)測溫度高于設(shè)定溫度上限值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到降溫控制口，驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行控制；當(dāng)實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度上限值時(shí)，此時(shí)半導(dǎo)體制冷器不工作，圖1中偏差量經(jīng)控制器調(diào)整后，輸出控制量控制被控對象的溫度，被控對象的溫度再由傳感器負(fù)反饋偏差量中，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整控制被控對象的溫度由于加入負(fù)反饋，大大提高了系統(tǒng)控溫精度與控溫范圍。

2 光纖光源自動溫度控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電路控制、運(yùn)算等功能；選用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集單元來實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集[10]，如圖2中所示；LED?D1相當(dāng)于半導(dǎo)體激光器LD，隨著工作時(shí)間的增加，LD就會發(fā)熱，然后DS18B20采集它的溫度傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)通過比較設(shè)定的溫度值和采集回來的實(shí)時(shí)溫度，然后執(zhí)行PID算法，通過單片機(jī)的P2.2口輸出信號，通過控制NPN三極管來決定繼電器是否閉合，在本設(shè)計(jì)中，由于定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間很小，所以溫度的檢測是很快的。

STC89C52單片機(jī)是一種高效微控制器，如圖3所示。為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案[11]，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指能使單片機(jī)正常工作的由最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)，一般由單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。

如圖4所示，溫度采集模塊采用溫度傳感器DS18B20[12]，DS18B20可以滿足從-55～125 ℃測量范圍，且DS18B20測量精度高，增值量為0.5 ℃，在1 s內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字，測得的溫度值的存儲在兩個(gè)八位的RAM中， DS18B20溫度轉(zhuǎn)換寄存器的低8位是小數(shù)部分，可以通過計(jì)算的方法將其精確到±0.1 ℃。單片機(jī)直接從中讀出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是溫度，使用方便。

如圖5所示為半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動模塊，由于半導(dǎo)體制冷器的工作電壓和電流都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機(jī)的工作電壓和電流，所以采用驅(qū)動元件來讓單片機(jī)驅(qū)動制冷硅。本設(shè)計(jì)采用的是繼電器驅(qū)動，繼電器的技術(shù)比較成熟，設(shè)計(jì)簡單，成本低，而且能夠驅(qū)動各種電壓電流值的器件。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

Protues軟件仿真是英國Labcenter electronics公司出版的EDA仿真工具軟件。顯示部分主要是用來觀察LD的設(shè)置溫度，實(shí)時(shí)溫度，目的是反映控制的作用效果與理論效果是否一樣。系統(tǒng)仿真電路框圖如圖6所示。

設(shè)定的溫度值是25.5 ℃，而LD的實(shí)時(shí)溫度為25.6 ℃，即LD的發(fā)熱溫度已經(jīng)超過了設(shè)定的溫度值，那么單片機(jī)通過PID計(jì)算以后就會讓三極管驅(qū)動繼電器工作，這時(shí)，制冷器開始工作，讓LD降溫，制冷指示燈D5發(fā)亮。設(shè)定的溫度值是25.5 ℃，而LD的實(shí)時(shí)溫度是25.4 ℃，LD的溫度沒達(dá)到設(shè)定的溫度值，此時(shí)不用給LD制冷，指示燈黃燈亮。根據(jù)設(shè)定溫度，實(shí)測溫度仿真溫度調(diào)整時(shí)間得到表1所示。

綜上可以看出，由于采用單片機(jī)數(shù)字控制的方法，使得溫度控制范圍可達(dá)到 20～50 ℃，精度達(dá)±0.1 ℃，而且采用LCD電子屏顯示實(shí)時(shí)溫度，器件的工作狀態(tài)一目了然；電路設(shè)計(jì)也比原來簡單，維修比較便捷。

本設(shè)計(jì)采用的半導(dǎo)體制冷片是性價(jià)比相對合理的C1206。C1206的特點(diǎn)是電流適中，主流產(chǎn)品可完美替代TEC1?12704?TEC1?12708所有芯片，制冷效率提升30%。一般來說半導(dǎo)體激光器的功率有20%～30%會轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致LD會持續(xù)升溫，所以要對LD溫度進(jìn)行控制，這里假設(shè)設(shè)定溫度為25 ℃，

4 結(jié) 語

本文采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，以PID數(shù)字控制對溫度進(jìn)行控制，使電路進(jìn)一步簡化；溫度控制的范圍較大，檢測控制溫度速度快，精度高，半導(dǎo)體激光器的激光波長和輸出功率穩(wěn)定，壽命延長。本設(shè)計(jì)給現(xiàn)代光纖通信LD溫度的智能控制提供一種可行的方案。

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