基于ARM? Cortex?-M3單片機(jī)的激光發(fā)射光源的設(shè)計(jì)

陳瑋倢，孫曉東，陳男

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

激光發(fā)生模塊對(duì)于系統(tǒng)相當(dāng)于心臟對(duì)于人體的地位，為整個(gè)系統(tǒng)提供必須的“血液”，而“血液”的質(zhì)量決定著系統(tǒng)的健康狀況。所以對(duì)于激光發(fā)生模塊的研發(fā)要求其要具有高穩(wěn)定性、高輸出功率和滿足系統(tǒng)要求的輸出光譜，做到保證系統(tǒng)高穩(wěn)定高輸出的運(yùn)行。

本次激光發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6芯片作為主控制芯片。STM32F103C8T6芯片使用高性能的ARM? Cortex-?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。包含2個(gè)12位的ADC、 3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、 3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。供電電壓2.0V至3.6V。

1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

如圖1所示，構(gòu)建STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)最小系統(tǒng)包含時(shí)鐘電路，復(fù)位電路。

圖1 單片機(jī)電路圖

X1、C15、C16為時(shí)鐘電路，X1為8Mhz時(shí)鐘晶振，給單片機(jī)提供8Mhz時(shí)鐘信號(hào)；C15、C16協(xié)助晶振快速起震，并穩(wěn)定時(shí)鐘頻率；C17、C19構(gòu)成復(fù)位電路；R18為BOOT0下拉電阻，默認(rèn)把BOOT0拉低，從STM32單片機(jī)內(nèi)部?jī)?chǔ)存器啟動(dòng)。

C17、C18為3.3V濾波電容，保證STM32單片機(jī)供電穩(wěn)定，P3為SWD接口，用STLINK燒錄器，可以連接電腦，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，燒寫程序。

2 恒溫恒功率電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，為NTC溫度傳感器，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)溫度，當(dāng)溫度不同，P6 NTC溫度傳感器電阻阻值不同，溫度傳感器和R16構(gòu)成電阻分壓電路，所以溫度變化，會(huì)導(dǎo)致STM32單片機(jī)PA4引腳電壓高低變化，當(dāng)STM32單片機(jī)采集PA4引腳的電壓發(fā)生變化時(shí)，即可知道溫度數(shù)據(jù)，C20為濾波電容，提高STM32采集溫度精度。

圖2 NVT溫度傳感器

上圖為TEC制冷制熱驅(qū)動(dòng)電路，可以采用一個(gè)24V TEC制冷片或兩片12V串聯(lián)使用，給TEC制冷片施加正向電壓，則制冷；給TEC制冷片施加反向電壓，制熱；所以用到了H橋啟動(dòng)電路，BTS7960為半橋電路，采用兩片BTS7960，即可構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)，U4、U5為光耦隔離，STM32單片機(jī)PB8、PB9兩個(gè)引腳即可控制輸出，當(dāng)PB8為高，PB9為低，則TEC得到正向電壓，當(dāng)PB8為低，PB9為高，則TEC得到反向電壓，當(dāng)PB8、PB9同時(shí)為高或者低，則TEC為0V。

發(fā)光二極管并聯(lián)接在TEC兩端，單片機(jī)通過(guò)對(duì)PA4引腳的溫度信息反饋，控制PB8、PB9引腳的輸出，從而控制TEC驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行溫度控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的恒溫恒功率控制。

同時(shí)，設(shè)置了外部USB接口。采用3.3V供電，2、3引腳為數(shù)據(jù)引腳，采用兩個(gè)22Ω電阻限流，和STM32單片機(jī)PA11 PA12通訊，R13為上拉電阻，用戶可以通過(guò)USB接口外接控制裝置來(lái)修改溫度參數(shù)，控制TEC驅(qū)動(dòng)電路是需要加熱還是制冷，直到恒定到用戶設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)恒溫恒功率控制。

3 觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路

上圖為4.3寸觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路，采用232通訊協(xié)議，U8為232芯片，負(fù)責(zé)把單片機(jī)TTL電平轉(zhuǎn)為232電平，P5為屏幕接口，1、4引腳為直流5V給屏幕供電，2、3引腳為232發(fā)射、接收引腳。

圖3 TEC驅(qū)動(dòng)電路

圖4 觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路

圖5 仿真結(jié)構(gòu)圖

C11、C12、C13、C14為電荷泵電容，配合芯片工作；C10為232芯片電源濾波電容，保證232芯片電源供電穩(wěn)定。

4 仿真設(shè)計(jì)

如上圖5所示，為溫度控制仿真圖，NTC溫度傳感器部分采用電位器模擬熱敏電阻，通過(guò)采集電壓來(lái)模擬溫度變換情況，根據(jù)溫度值通過(guò)芯片控制升溫和降溫控制電路工作。右下角為兩個(gè)繼電器電路控制發(fā)光二極管，發(fā)光二極管有一個(gè)最合適的工作溫度，在合適溫度值時(shí)，發(fā)光二極管的功率最高，所以分別控制升溫和降溫；單片機(jī)控制芯片外接液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示溫度。兩個(gè)按鍵電路模擬USB接口電路外接控制器，通過(guò)按鍵進(jìn)行外部設(shè)置溫度。

5 結(jié)論

采用ARM? Cortex?-M3 32單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定發(fā)光光源的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)具有快速的處理速度和豐富外設(shè)接口，可以完成整體控制和處理功能。另外配以液晶顯示和觸摸屏，通過(guò)程序編寫構(gòu)建一個(gè)對(duì)該模塊控制的簡(jiǎn)易的操作系統(tǒng)。