專利名稱：數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種控制半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷和 恒溫的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
光纖通信系統(tǒng)中均使用激光二極管作為光源，半導(dǎo)體激光器作為一種高功率 密度并且具有極高量子效率的器件，盡管其是高效率的電子一光子轉(zhuǎn)換器件，但 由于不可避免地存在各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制，使其外 微分量子效率只能達(dá)到20% 30%，這意味著相當(dāng)部分注入的電功率將轉(zhuǎn)化為
熱量，引起激光器溫度升高。溫度對激光器的影響主要有以下幾個方面
1、 溫度對閾值電流的影響-隨著溫度的升高將引起閾值電流的增大，使輸出功率下降，從而給激光器驅(qū)
動電源的設(shè)計帶來困難。
2、 溫度對V—I關(guān)系的影響
當(dāng)注入電流相等時，溫度高的激光器對應(yīng)的正向壓降也大，這會給半導(dǎo)體激 光器恒流源的設(shè)計帶來困難。
3、 溫度對輸出波長的影響 由于有源層材料的禁帶寬度隨溫度升高而變窄，使激射波長向長波方向移
動，即紅移現(xiàn)象。紅移量與器件的結(jié)構(gòu)和有源區(qū)材料有關(guān)，約為0.2 0.311111/°"
因此，可以用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值波長，以滿足對波長要求嚴(yán)格的 一些應(yīng)用。
4、 溫度對P—I曲線非線性的影響
理想情況下，半導(dǎo)體激光器的P—I應(yīng)該是線性曲線，PN結(jié)過熱是產(chǎn)生非線
性的原因之一。除此之外，來自于有源區(qū)中橫(側(cè))模的不穩(wěn)定性，來自外部的 反射光(如從連接器，尾纖端等部位)以及與光強(qiáng)有關(guān)的飽和等因素也能造成非 線性。其中模式的不穩(wěn)定性是出現(xiàn)P-I曲線扭折的主要原因，這種不穩(wěn)定性除了 與激光器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與溫度有很大關(guān)系。除此之外溫度升高還會增加內(nèi)部缺損，嚴(yán)重地影響器件的壽命，給應(yīng)用帶來 很大困難。如果不將所產(chǎn)生的熱量移去，將造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失 效。試驗表明，溫度每增加25°C，器件的壽命減少一半，即使工作電流在數(shù)十 毫安的半導(dǎo)體激光器，它卻承受了 1(^A/cm左右的光電流密度。所以工作溫度對 于激光器十分重要，必須給激光器提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度，才能 保證激光器具有最大的效率和最小的功率波動。
以前對大功率激光器往往采用冰水循環(huán)方式制冷，通過調(diào)節(jié)熱沉中循環(huán)管道 內(nèi)冰水的流量來達(dá)到溫控的目的。這種控制方法精度不高，使用也不方便。目前 多采用半導(dǎo)體制冷器(TEC， Thermoelectric Cooler)對激光器進(jìn)行制冷和溫控。 半導(dǎo)體制冷器是一種固體制冷方式，與通常壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)相比，其優(yōu)點是沒有 機(jī)械轉(zhuǎn)動部分，無需制冷劑，無噪聲、無污染、體積小，可小型、微型化，可靠 性高，壽命長，可電流反向加熱，易于恒溫，現(xiàn)在普遍用于半導(dǎo)體激光器的制冷 系統(tǒng)中。本發(fā)明也采用半導(dǎo)體制冷器。
目前國內(nèi)外己有的與本發(fā)明類似的產(chǎn)品，如
臺灣致惠科技股份有限公司的CDS系列熱電模組控制器，該產(chǎn)品的特性包
括
1、 雙向無段電流驅(qū)動，高功率達(dá)150W/300W,高效率達(dá)90%以上。
2、 Autotune/PID控制，控制最佳化。
3、 可設(shè)定溫控范圍-50—150。C，精確度+A0.3。C，穩(wěn)定度+A0.01 0.05。C。
4、 溫度設(shè)定與讀值解析度0.01。C。
5、 可單機(jī)操作或連接PC軟體操作。
6、 整合控制器與驅(qū)動器，并擁有兩組T-type熱電偶。
7、 可搭配客制化溫控平臺，適用于電子元件測試、光電檢測、材料研究、 生物科技等。
美國Wavelength Electronics Inc.的LFI3751 Temperature Control Instrument,
該產(chǎn)品的特性包括
1、 24小時溫度穩(wěn)定度0.003 °C。
2、 最大TEC驅(qū)動電流輸出±5安培。
3、 比例系數(shù)增益范圍1 100。4、 積分時間常數(shù)范圍1 10秒。
5、 微分時間常數(shù)范圍1 100秒。
6、 供電電壓+115V +230V。
7、 RS-232接口。
美國ThermOptics Inc.的DN1220 Thermoelectric Cooler Controller,該產(chǎn)品的
特性包括
1、 比例和積分控制。
2、 增益與積分時間常數(shù)由一個電位器控制(無需外部提供積分電容)。
3、 單電源供電直流+5V +12V。
4、 驅(qū)動電流±2安培。
5、 獨立加熱和制冷電流限制調(diào)節(jié)。
6、 溫度穩(wěn)定度高于o.orc。
但是，上述的產(chǎn)品也只有產(chǎn)品性能的介紹，而沒有見到具體結(jié)構(gòu)的公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，利用溫度傳感器反饋回的信號，采用PID等 算法控制半導(dǎo)體制冷器(TEC， Thermoelectric Cooler)對激光器進(jìn)行制冷和溫控。 達(dá)到穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作參數(shù)，延長半導(dǎo)體激光器使用壽命的目的。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)
一種數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，結(jié)構(gòu)有前面板l、串口通信電路5、 A/D轉(zhuǎn)換電路7、 D/A轉(zhuǎn)換電路8、顯示模塊12，其特征是，結(jié)構(gòu)還有中央處理 器2、按鈕輸入電路3、 LED指示燈輸出電路4、溫度測量電路6、電壓供電電 路9、驅(qū)動電路控制電壓模塊10和驅(qū)動電路功率模塊11;電壓供電電路9為驅(qū) 動電路控制電壓模塊10提供工作電壓。
所述的中央處理器2由STC89C51單片機(jī)構(gòu)成;按鈕輸入電路3與STC89C51 的INT0、INT1、P1.0和Pl.l引腳連接給中央處理器2提供當(dāng)前按鈕的輸入狀態(tài); LED指示燈輸出電路4與STC89C51的P1.4、 P1.5、 P1.6和P1.7引腳連接，由 中央處理器2控制LED指示燈輸出電路4的顯示狀態(tài);顯示模塊12與STC89C51
的P0口、》萬、^和？2.2連接，由中央處理器2控制顯示模塊12的顯示；串 口通信電路5與STC89C51的TXD和RXD引腳連接，通過串口通信電路5與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。A/D轉(zhuǎn)換電路7與STC89C51的P0 口、 P2.1、 P2.3、 P2.4、 ^和而連接，用來將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換電路8與STC89C51的
P0 口、 P2.0、 P2.3、 ^和阪連接，用來將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。中央處理器
STC89C51的XTAL1和XTAL2兩引腳接晶振XTAL的兩端，另外還分別接電容 C6、 C7后接地。
中央處理器2將設(shè)定好的溫度對應(yīng)的電壓數(shù)值提供給D/A轉(zhuǎn)換電路8轉(zhuǎn)換 成模擬電壓量，進(jìn)而控制驅(qū)動電路控制電壓模塊10產(chǎn)生半導(dǎo)體致冷器控制電壓， 然后經(jīng)驅(qū)動電路功率模塊11進(jìn)行功率放大，驅(qū)動控制半導(dǎo)體致冷器工作；通過 溫度測量電路6將當(dāng)前受半導(dǎo)體致冷器控制物體的溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，送入A/D 轉(zhuǎn)換電路7轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給中央處理器2，由此形成了一個閉合的控制環(huán)， 驅(qū)動控制半導(dǎo)體致冷器進(jìn)行加熱或制冷。
本發(fā)明的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器的前面板1，其上裝有參數(shù)調(diào)節(jié)旋 鈕通過對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器與按鈕輸入電路3連接、參數(shù)調(diào)節(jié)模式按鈕、顯示模式 按鈕分別與按鈕輸入電路3連接；溫度預(yù)制指示燈、限流調(diào)節(jié)指示燈、比例系數(shù) K指示燈和積分常數(shù)t指示燈分別與LED指示燈輸出電路4連接；NTC輸入接 頭與溫度測量電路6連接；TEC輸出接頭與驅(qū)動電路功率模塊11連接。
本發(fā)明中用到的串口通信電路5、 A/D轉(zhuǎn)換電路7、 D/A轉(zhuǎn)換電路8、顯示 模塊12與現(xiàn)有的電路基本上是相同的，是公知的技術(shù)。下面對本發(fā)明的幾部分 重要電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述。
按鈕輸入電路3主要由施密特觸發(fā)器芯片SN7414構(gòu)成；施密特觸發(fā)器芯片 SN7414的14引腳接+5V電源，并且經(jīng)濾波電容C23接地；SN7414的7引腳接 地；SN7414的1引腳經(jīng)電阻R4接+5V電源，經(jīng)電容C24接地，并且接端口 "R0TC1"，端口"ROTCl"接前面板1上的參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器的 引腳1; SN7414的2引腳接端口"ROTCODERl"，端口"ROTCODERl"接中央處 理器STC89C51的外部中斷引腳INTO; SN7414的3引腳經(jīng)電阻R5接+5V電源， 經(jīng)電容C25接地，并且接端口"ROTC2"，端口"ROTC2"接前面板1上的參數(shù)調(diào) 節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器的引腳2; SN7414的4引腳接端口"ROTCODER2"，端 口"ROTCODER2"接中央處理器STC89C51的外部中斷引腳INT1; SN7414的5 引腳經(jīng)電阻R6接+5V電源，經(jīng)電容C26接地，并且接端口"PAR—MODE"，端口
9"PAR—MODE"接前面板1上的參數(shù)調(diào)節(jié)模式按鈕；SN7414的6引腳接端口 "PAR—SW"，端口"PAR—SW"接中央處理器STC89C51的引腳P1.0; SN7414的9 引腳經(jīng)電阻R7接+5V電源，經(jīng)電容C27接地，并且接端口"DSP—MODE",端口 "DSP—MODE"接前面板1上的顯示模式按鈕；SN7414的8引腳接端口 "DSP—SW"，端口"DSP—SW"接中央處理器STC89C51的引腳Pl.l。
LED指示燈輸出電路4主要由MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4和MOS 管Q5構(gòu)成；其中，各MOS管的柵極S接地；各MOS管的源極G分別經(jīng)電阻 R8、 R10、 R12和R14接中央處理器STC89C51的P1.4、 P1.5、 P1.6禾口 P1.7弓| 腳；各MOS管的漏極D分別經(jīng)電阻R9、 Rll、 R13和R15接端口"SET—T"、 "LIM—C"、 "ADJ—K"和"ADJ—tao";各端口再分別接前面板1上的溫度預(yù)制指示 燈、限流調(diào)節(jié)指示燈、比例系數(shù)K指示燈和積分常數(shù)T指示燈。
溫度測量電路6包括+12V電源接2.5V穩(wěn)壓管Dl;穩(wěn)壓管Dl陽極與運(yùn) 放U10B的同相輸入端和電阻R5相連；電阻R5另一端接地；運(yùn)放U10B的輸 出端與電阻R30和電容C37相連；電容C37與運(yùn)放U10B的反相輸入端相連， 并經(jīng)電阻R29與三極管Q1的射極相連；電阻R29與+12V電源相連；電阻R30 與三極管Q1的基極相連;三極管Q1的集電極接端口"NTC—in"即前面板1的NTC 輸入接頭；在三極管Q1的集電極輸出端連接一個由運(yùn)放U11A組成的電壓放大 器，運(yùn)放U11A同相輸入端接三極管Q1的集電極，運(yùn)放U11A反相輸入端接電 位器R31的抽頭端；R31的另外兩端分別接地和U11A的輸出端；運(yùn)放U11A的 輸出端接A/D轉(zhuǎn)換電路7的電壓輸入端口"NTCFeedBack"。
電壓提供電路9包括集成運(yùn)放U10A的同相輸入端經(jīng)電阻R25接+12V電 源，經(jīng)電阻R26接地，另外電阻R26并接電容C35; U10A的反相輸入端經(jīng)電阻 R27接U10A的輸出端，另外電阻R27并接電容C36;運(yùn)放U10A的輸出端就是 +6V電壓提供電路9的電壓輸出端。
驅(qū)動電路控制電壓模塊10包括運(yùn)放U8A的同相輸入端接D/A轉(zhuǎn)換電路8 的輸出電壓"CUR—ctrl"，經(jīng)電容C29接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V"; U8A的反相輸入端經(jīng)電容C30接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V"，經(jīng)電容 C31接U8A的輸出端，運(yùn)放U8A的輸出端經(jīng)電阻R16接運(yùn)放U9A的反相輸入 端，U9A的反相輸入端經(jīng)電阻R17接U9A的輸出端；運(yùn)放U9A的同相輸入端接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V"，經(jīng)電容C32接U8A的輸出端；運(yùn)放 U9A的輸出端接控制電壓輸出端口 C0N1的3引腳，經(jīng)電阻R18接運(yùn)放U9B的 反相輸入端，U9B的反相輸入端經(jīng)電阻R19接U9B的輸出端；運(yùn)放U犯的同相 輸出端接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V";運(yùn)放U9B的輸出端接控制電壓 輸出端口 C0N1的4弓l腳；控制電壓輸出端口 C0N1的1引腳經(jīng)電阻R22接運(yùn) 放U8B的反相輸入端，U8B的反相輸入端經(jīng)電阻R23接U8B的輸出端；控制電 壓輸出端口 C0N1的2引腳經(jīng)電阻R20接運(yùn)放U8B的同相輸入端，U8B的同相 輸入端經(jīng)電阻R21接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V";運(yùn)放U8B的輸出 端經(jīng)電阻R24接運(yùn)放U8A的同相輸入端；控制電壓輸出端口C0N1的6、 8、 10 引腳接+12V電源，經(jīng)電容C1、 C2接地；控制電壓輸出端口C0N1的5、 7、 9 引腳接地。
驅(qū)動電路功率模塊11包括控制電壓輸入端口 C0N4的1、 2、 3、 4引腳與 用參數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括控制電 壓輸入端口 CON4的3引腳與NPN型達(dá)林頓管Ql及PNP型達(dá)林頓管Q2的基 極相連；達(dá)林頓管Q1的集電極接+12V電源；達(dá)林頓管Q2的集電極接地，達(dá)林 頓管Q1的發(fā)射極與達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極相連后再通過O.l歐姆的取樣電阻Rsl 串接輸出端口"TEC"，即前面板1上的TEC輸出接頭與NPN型達(dá)林頓管Q3及 PNP型達(dá)林頓管Q4的射極相連；達(dá)林頓管Q3的集電極接+12V電源；達(dá)林頓管 Q4的集電極接地；控制電壓輸入端口 CON4的4引腳與達(dá)林頓管Q4及達(dá)林頓 管Q5的基極相連；取樣電阻Rsl兩端還與電壓輸入端口 CON4的1、 2引腳相 連；輸出端口"TEC"的兩個引腳還分別與電壓輸入端口 CON4的3、 4引腳相連； 控制電壓輸入端口 CON4的6、8、10引腳接+12V電源；控制電壓輸出端口 CON1 的5、 7、 9引腳接地。
本發(fā)明數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器有以下有益效果
1、 本發(fā)明數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器可保證激光器輸出功率的穩(wěn)定性 和光譜的純度；
2、 本發(fā)明數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定工作可
靠，正常使用不會出現(xiàn)誤動作。
3、 采用限幅過流保護(hù)，降低了瞬時高電壓和瞬時強(qiáng)電流所引起的擊穿破壞，有效保護(hù)了儀器的穩(wěn)定工作。
4、 最大控制電流可以達(dá)到i2.5A，最大輸出功率可達(dá)20W。
5、 帶有RS-232接口，可對數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器的程序進(jìn)行升級。
6、 帶有RS-232接口，可對數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器的數(shù)據(jù)用PC進(jìn) 行實施監(jiān)控。
7、 比例系數(shù)增益范圍1 200。
8、 積分時間常數(shù)范圍0.1 30秒。
9、 可設(shè)定溫控范圍-4(K+100。C，精確度+A0.2。C，穩(wěn)定度士0.005。C。
10、 本發(fā)明數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器不僅可以用于半導(dǎo)體激光器的溫 度控制中，而且還可以應(yīng)用于其它需要控制溫度的小環(huán)境場合。
11、 此恒溫控制器適用于激光器的長期工作。


圖l是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明的中央處理器2原理圖。
圖3是本發(fā)明的按鈕輸入電路3原理圖。
圖4是本發(fā)明的LED指示燈輸出電路4原理圖。
圖5是本發(fā)明的串口通信電路5原理圖。
圖6是本發(fā)明的溫度測量電路6原理圖。
圖7是本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換電路7原理圖。
圖8是本發(fā)明的D/A轉(zhuǎn)換電路8原理圖。
圖9是本發(fā)明的+6V電壓提供電路9原理圖。
圖10是本發(fā)明的TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊10原理圖。
圖11是本發(fā)明的TEC驅(qū)動電路功率模塊11原理圖。
圖12是本發(fā)明的顯示模塊12原理圖。
圖13是本發(fā)明的前面板1結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
各實施例中，電路元件優(yōu)選的電阻值、電容值標(biāo)注在元件之后的括號內(nèi)。 實施例l結(jié)合圖1說明本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)
本發(fā)明的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器是用于大功率激光二極管的溫度
12控制器。由前面板l、中央處理器2、按鈕輸入電路3、 LED指示燈輸出電路4、 串口通信電路5、溫度測量電路6、 A/D轉(zhuǎn)換電路7、 D/A轉(zhuǎn)換電路8、 +6V電壓 提供電路9、 TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊IO、 TEC驅(qū)動電路功率模塊11和顯示 模塊12組成。
按鈕輸入電路3給中央處理器2提供當(dāng)前按鈕的輸入狀態(tài)。中央處理器 STC89C51控制LED指示燈輸出電路4的顯示狀態(tài)。中央處理器STC89C51控 制顯示模塊12的顯示。中央處理器STC89C51通過串口通信電路5與上位機(jī)進(jìn) 行串口通信。中央處理器STC89C51將設(shè)定好的溫度對應(yīng)的電壓數(shù)值提供給D/A 轉(zhuǎn)換電路8轉(zhuǎn)換成模擬電壓量，進(jìn)而控制TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊10產(chǎn)生 TEC控制電壓，然后經(jīng)TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊10進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動 控制TEC進(jìn)行加熱或制冷。通過溫度測量電路6將當(dāng)前受TEC控制物體的溫度 轉(zhuǎn)換成電壓量,送入A/D轉(zhuǎn)換電路7轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給中央處理器STC89C51 ， 由此形成了一個閉合的控制環(huán)，利用自動控制算法最終保證受控物體的溫度穩(wěn)定 在設(shè)定溫度值上。
實施例2中央處理器2
中央處理器2由STC89C51單片機(jī)構(gòu)成；按鈕輸入電路3與STC89C51的 INT0、 INT1、 Pl.O和Pl.l引腳連接給中央處理器2提供當(dāng)前按鈕的輸入狀態(tài)； LED指示燈輸出電路4與STC89C51的P1.4、 P1.5、 P1.6和P1.7引腳連接，由 中央處理器2控制LED指示燈輸出電路4的顯示狀態(tài);顯示模塊12與STC89C51
的P0口、 ^5、 ^和？2.2連接，由中央處理器2控制顯示模塊12的顯示；串
口通信電路5與STC89C51的TXD和RXD引腳連接，通過串口通信電路5與 上位機(jī)進(jìn)行串口通信。A/D轉(zhuǎn)換電路7與STC89C51的PO 口、 P2.1、 P2.3、 P2.4、
^和阪連接，用來將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換電路8與STC89C51的
P0 口、 P2.0、 P2.3、 ^和阪連接，用來將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。中央處理器 STC89C51的XTAL1和XTAL2兩引腳接晶振XTAL (12MHz)的兩端，另外還 分別接電容C6 GOpF)、 C7 (30pF)后接地。 實施例3按鈕輸入電路3
按鈕輸入電路3包括施密特觸發(fā)器芯片SN7414的14引腳接+5V電源，另外經(jīng)濾波電容C23 (O.luF)接地；SN7414的7引腳接地；SN7414的1引腳 經(jīng)電阻R4 (10kQ)接+5V電源，經(jīng)電容C24 (0.47uF)接地，接端口"R0TC1" 即前面板1的參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器的引腳1; SN7414的2引腳接端 口"R0TC0DER1"即中央處理器STC89C51的外部中斷引腳INTO; SN7414的3 引腳經(jīng)電阻R5(10kD)接+5V電源，經(jīng)電容C25(0.47uF)接地，接端口"R0TC2" 即前面板1的參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器的2引腳；SN7414的4引腳接端 口"ROTCODER2"即中央處理器STC89C51的外部中斷引腳INT1; SN7414的5 引腳經(jīng)電阻R6 UOkQ)接+5V電源，經(jīng)電容C26 (0.47uF)接地，接端口 "PAR—MODE"即前面板1的參數(shù)調(diào)節(jié)模式按鈕；SN7414的6引腳接端口 "PAR—SW"即中央處理器STC89C51的引腳P1.0; SN7414的9引腳經(jīng)電阻R7 (10kQ)接+5V電源，經(jīng)電容C27 (0.47uF)接地，接端口"DSP—MODE"即前 面板1的顯示模式按鈕；SN7414的8弓l腳接端口"DSP—SW"即中央處理器 STC89C51的引腳Pl.l。
實施例4 LED指示燈輸出電路4
LED指示燈輸出電路4包括MOS管Q2的漏極D經(jīng)電阻R9 (10kQ)接 端口"SET一T"即前面板1的溫度預(yù)制指示燈；Q2的源極S經(jīng)電阻R8 (lOkH)接 中央處理器STC89C51的P1.4引腳；Q2的柵極接地；MOS管Q3的漏極D經(jīng) 電阻Rll (10kD)接端口"LIM—C"即前面板1的限流調(diào)節(jié)指示燈；Q3的源極S 經(jīng)電阻R10 (10kD)接中央處理器STC89C51的P1.5引腳；Q3的柵極接地； MOS管Q4的漏極D經(jīng)電阻R13 (10kQ)接端口"ADJ—K"即前面板1的比例系 數(shù)K指示燈；Q4的源極S經(jīng)電阻R12 (10m)接中央處理器STC89C51的P1.6 引腳；Q4的柵極接地。MOS管Q5的漏極D經(jīng)電阻R15(10kQ)接端口"ADJ一tao" 即前面板l的積分常數(shù)T指示燈；Q5的源極S經(jīng)電阻R14 (10kD)接中央處理 器STC89C51的P1.7引腳；Q5的柵極接地。
實施例5串口通信電路5
串口通信電路5包括串口驅(qū)動芯片MAX232的16引腳接+5V電源，另外 經(jīng)濾波電容C8(0.1uF)接地；MAX232的6引腳經(jīng)電容C9(0.1uF)接地；MAX232 的2引腳經(jīng)電容C10 (O.luF)接地；MAX232的1引腳經(jīng)電容Cll (O.luF)接 3引腳；MAX232的4引腳經(jīng)電容C12 (O.luF)接5引腳；MAX232的14引腳接RS232串口輸出端口 CON3的引腳1; MAX232的13引腳接RS232串口輸出 端口 CON3的2引腳；RS232串口輸出端口 CON3的3引腳接地。 實施例6溫度測量電路6
溫度測量電路6包括+12V電源接2.5V穩(wěn)壓管Dl;穩(wěn)壓管Dl陽極與運(yùn) 放U10B的同相輸入端和電阻R5(9.1kn)相連；電阻R5另一端接地；運(yùn)放U10B 的輸出端與電阻R30 (lkD)和電容C37 (47pF)相連；電容C37與運(yùn)放U10B 的反相輸入端相連，并經(jīng)電阻R29 (24kQ)與三極管Q1的射極相連；電阻R29 與+12V電源相連；電阻R30與三極管Ql的基極相連；三極管Ql的集電極接 端口"NTC一in"即前面板1的NTC輸入接頭；在三極管Ql的集電極輸出端連接 一個由運(yùn)放U11A組成的電壓放大器，運(yùn)放U11A同相輸入端接三極管Q1的集 電極，運(yùn)放U11A反相輸入端接電位器R31 (100kQ)的抽頭端；R31的另外兩 端分別接地和U11A的輸出端;運(yùn)放U11A的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換電路7的電壓輸 入端口 "NTCFeedBack，，。
實施例7 A/D轉(zhuǎn)換電路7
A/D轉(zhuǎn)換電路7包括A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197的27引腳接+5V電源，經(jīng)電 容C15 (4.7uF)、 C16 (O.luF)接地；MAX197的28引腳接地；MAX 197的26 引腳經(jīng)電容C17 (4.7uF)接地，另外接運(yùn)放U7A的同相輸入端；運(yùn)放U7A的 反相輸入端接輸出端，這樣由U7A構(gòu)成了一個電壓跟隨器，其輸出為一4.96V 的參考電壓用端口"Vref，表示；MAX197的25引腳經(jīng)電容C18 (O.OluF)接地； MAX197的24引腳接端口 ADINT即中央處理器STC89C51的P2.4引腳； MAX197的15、 16、 17、 18、 20、 21、 22、 23引腳接地；MAX197的19引腳 經(jīng)電容C19 (O.luF)接地，另外接溫度測量電路6提供的輸入信號 "NTCFeedBack"; MAX197的D7 D0即7 14引腳接中央處理器STC89C51的 P0 口 ；MAX197的6引腳接+5V電源；MAX197的5引腳接中央處理器STC89C51
的P2.3引腳；MAX197的4引腳接中央處理器STC89C51的^5引腳；MAX197
的3引腳接中央處理器STC89C51的而引腳；MAX197的2引腳接中央處理器
STC89C51的P2.2引腳；MAX197的1引腳經(jīng)電容C20 (100pF)接地。 實施例8 D/A轉(zhuǎn)換電路8
D/A轉(zhuǎn)換電路8包括D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC1232的20引腳接+5V電源，經(jīng)濾波電容C12 (O.luF)接地；DAC1232的3、 10、 12引腳接地；DAC1232的D7 D0即13 16、 4 7引腳接中央處理器STC89C51的P0 口； DAC1232的19引 腳接中央處理器STC89C51的P2.3;DAC1232的1引腳接中央處理器STC89C51
的P2.0引腳；DAC1232的2、 18引腳接中央處理器STC89C51的^引腳；
DAC1232的17引腳接中央處理器STC89C51的^5引腳；DAC1232的9、 11引
腳接由A/D轉(zhuǎn)換電路7提供的4.96V參考電壓"Vref'; DAC1232的8引腳接運(yùn) 放U7B的同相輸入端，U7B的反相輸入端接電位器R2 (100kD)的抽頭，電位 器R2的另外兩端分別接地和U7B的輸出端，另外電位器R2并接了電容C14 (4.7uF);運(yùn)放U7B的輸出端即為此D/A轉(zhuǎn)換電路8的電壓輸出端，用端口 "CUR一ctri"表示，該電壓用來控制TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊10。 實施例9電壓提供電路9
+6V電壓提供電路9包括:集成運(yùn)放U10A的同相輸入端經(jīng)電阻R25( 10kQ) 接+12V電源，經(jīng)電阻R26 (10kQ)接地，另外電阻R26并接電容C35 (O.luF); U10A的反相輸入端經(jīng)電阻R27 (100m)接U10A的輸出端，另外電阻R27并 接電容C36 (O.luF);運(yùn)放U10A的輸出端即為此+6V電壓提供電路9的電壓輸 出端，用端口"+6V"表示。
實施例IO驅(qū)動電路控制電壓模塊IO
TEC驅(qū)動電路控制電壓模塊10包括運(yùn)放U8A的同相輸入端接D/A轉(zhuǎn)換 電路8的輸出電壓"CUR—ctrl"，經(jīng)電容C29 (0.47uF)接+6V電壓提供電路9的 輸出電壓"+6V"; U8A的反相輸入端經(jīng)電容C30 (0.47uF)接+6V電壓提供電路 9的輸出電壓"+6V"，經(jīng)電容C31 (0.47uF)接U8A的輸出端，運(yùn)放U8A的輸出 端經(jīng)電阻R16 (lOOkD)接運(yùn)放U9A的反相輸入端，U9A的反相輸入端經(jīng)電阻 R17 (100kD)接U9A的輸出端；運(yùn)放U9A的同相輸入端接+6V電壓提供電路9 的輸出電壓"+6V"，經(jīng)電容C32 (0.47uF)接U8A的輸出端；運(yùn)放U9A的輸出 端接控制電壓輸出端口 C0N1的3引腳，經(jīng)電阻R18 (lOOkQ)接運(yùn)放U9B的 反相輸入端，U犯的反相輸入端經(jīng)電阻R19 (100m)接U9B的輸出端；運(yùn)放 U9B的同相輸出端接+6V電壓提供電路9的輸出電壓"+6V";運(yùn)放U9B的輸出 端接控制電壓輸出端口 C0N1的4引腳；控制電壓輸出端口 C0N1的1引腳經(jīng) 電阻R22 (20kD)接運(yùn)放U8B的反相輸入端，U8B的反相輸入端經(jīng)電阻R23(200kQ)接U8B的輸出端；控制電壓輸出端口 C0N1的2引腳經(jīng)電阻R20(20kD) 接運(yùn)放U8B的同相輸入端，U8B的同相輸入端經(jīng)電阻R21 (200kD)接+6V電 壓提供電路9的輸出電壓"+6V";運(yùn)放U8B的輸出端經(jīng)電阻R24 (10kfi)接運(yùn) 放U8A的同相輸入端；控制電壓輸出端口 CON1的6、 8、 10引腳接+12V電源， 經(jīng)電容C1 (1000uF)、 C2 (0.33uF)接地；控制電壓輸出端口 C0N1的5、 7、 9 引腳接地。
實施例ll驅(qū)動電路功率模塊ll
TEC驅(qū)動電路功率模塊11包括控制電壓輸入端口 CON4的1、 2、 3、 4 引腳與用參數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括-控制電壓輸入端口 CON4的3引腳與NPN型達(dá)林頓管Ql及PNP型達(dá)林頓管 Q2的基極相連；達(dá)林頓管Ql的集電極接+12V電源；達(dá)林頓管Q2的集電極接 地，達(dá)林頓管Ql的發(fā)射極與達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極相連后再通過取樣電阻Rsl (0.1歐姆)串接輸出端口"TEC"即前面板1上的TEC輸出接頭與NPN型達(dá)林 頓管Q3及PNP型達(dá)林頓管Q4的射極相連;達(dá)林頓管Q3的集電極接+12V電源； 達(dá)林頓管Q4的集電極接地；控制電壓輸入端口 CON4的4引腳與達(dá)林頓管Q4 及達(dá)林頓管Q5的基極相連；取樣電阻Rsl兩端還與電壓輸入端口 CON4的1、 2引腳相連；輸出端口 "TEC"的兩個引腳還分別與電壓輸入端口 CON4的3、 4 引腳相連；控制電壓輸入端口 CON4的6、 8、 10引腳接+12V電源；控制電壓 輸出端口CONl的5、 7、 9引腳接地。 實施例12顯示模塊12的電路
顯示模塊12包括液晶顯示屏YB1602B的1引腳接地；YB1602B的2引 腳接+5V電源，經(jīng)電容C22( 0. luF )接地；YB1602B的15引腳接電位器R3(200kD) 的抽頭，R3的另一端接+5V電源；YB1602B的3、 16引腳接地；YB1602B的4
引腳接中央處理器STC89C51 (2)的^引腳；YB1602B的5引腳接中央處理
器STC89C51的^引腳；YB1602B的6引腳接中央處理器STC89C51的P2.2
引腳；YB1602B的D7 D0即14 7引腳接中央處理器STC89C51的P0 口 。 實施例13前面板l結(jié)構(gòu)
圖13給出本發(fā)明的一種前面板1的結(jié)構(gòu)。前面板l上裝有參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕接按 鈕輸入電路3的ROTCl和ROTC2端口、顯示模式按鈕接按鈕輸入電路3的DSP—MODE端口 、參數(shù)調(diào)節(jié)模式按鈕接按鈕輸入電路3的PAR—MODE端口 、溫度 預(yù)制指示燈接LED指示燈輸出電路4的SET—T端口 、限流調(diào)節(jié)指示燈接LED指示 燈輸出電路4的LIM—C端口 、比例系數(shù)K指示燈接LED指示燈輸出電路4的ADJJC 端口、積分常數(shù)T指示燈接LED指示燈輸出電路4的ADJjao端口、 NTC輸入口接 溫度測量電路6的NTC一in端口、 TEC輸出口接驅(qū)動電路功率模塊11的TEC端口 。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，結(jié)構(gòu)有前面板(1)、半導(dǎo)體致冷器、串口通信電路(5)、A/D轉(zhuǎn)換電路(7)、D/A轉(zhuǎn)換電路(8)、顯示模塊(12)，其特征是，結(jié)構(gòu)還有中央處理器(2)、按鈕輸入電路(3)、LED指示燈輸出電路(4)、溫度測量電路(6)、電壓供電電路(9)、驅(qū)動電路控制電壓模塊(10)和驅(qū)動電路功率模塊(11)；半導(dǎo)體致冷器與驅(qū)動電路功率模塊(11)連接；電壓供電電路(9)為驅(qū)動電路控制電壓模塊(10)提供工作電壓；所述的中央處理器(2)由STC89C51單片機(jī)構(gòu)成；按鈕輸入電路(3)與STC89C51的INT0、INT1、P1.0和P1.1引腳連接給中央處理器(2)提供當(dāng)前按鈕的輸入狀態(tài)；LED指示燈輸出電路(4)與STC89C51的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7引腳連接，由中央處理器(2)控制LED指示燈輸出電路(4)的顯示狀態(tài)；顯示模塊(12)與STC89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6和P0.7引腳連接，由中央處理器(2)控制顯示模塊(12)的顯示；串口通信電路(5)與STC89C51的TXD和RXD引腳連接，通過串口通信電路(5)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信；中央處理器(2)將設(shè)定好的溫度對應(yīng)的電壓數(shù)值提供給D/A轉(zhuǎn)換電路(8)轉(zhuǎn)換成模擬電壓量，進(jìn)而控制驅(qū)動電路控制電壓模塊(10)產(chǎn)生半導(dǎo)體致冷器控制電壓，然后經(jīng)驅(qū)動電路功率模塊(11)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動控制半導(dǎo)體致冷器工作；通過溫度測量電路(6)將當(dāng)前受半導(dǎo)體致冷器控制物體的溫度轉(zhuǎn)換成電壓量，送入A/D轉(zhuǎn)換電路(7)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給中央處理器(2)，由此形成了一個閉合的控制環(huán)，驅(qū)動控制半導(dǎo)體致冷器進(jìn)行加熱或制冷。
2、 按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是，所 述的前面板(1)，其上裝有參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕通過對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器與按鈕輸入電路(3)連接、參數(shù)調(diào)節(jié)模式按鈕、顯示模式按鈕分別與按鈕輸入電路(3)連接； 溫度預(yù)制指示燈、限流調(diào)節(jié)指示燈、比例系數(shù)K指示燈和積分常數(shù)t指示燈分 別與LED指示燈輸出電路(4)連接；NTC輸入接頭與溫度測量電路(6)連接； TEC輸出接頭與驅(qū)動電路功率模塊(11)連接。
3、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的按鈕輸入電路(3)主要由施密特觸發(fā)器芯片SN7414構(gòu)成；施密特觸發(fā) 器芯片SN7414的14引腳接+5V電源，并且經(jīng)濾波電容C23接地；SN7414的7引腳接地；SN7414的1引腳經(jīng)電阻R4接+5V電源，經(jīng)電容C24接地，并且接 端口 "R0TC1"，端口 "R0TC1"接前面板(1)上的參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋 轉(zhuǎn)編碼器的引腳1; SN7414的2引腳接端口"ROTCODERl "，端口"ROTCODERl" 接中央處理器(2) STC89C51的外部中斷引腳INTO; SN7414的3引腳經(jīng)電阻 R5接+5V電源，經(jīng)電容C25接地，并且接端口 "ROTC2"，端口 "ROTC2"接 前面板(1)上的參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)編碼器的引腳2; SN7414的4引腳接 端口 "ROTCODER2"，端口 "ROTCODER2"接中央處理器(2) STC89C51的 外部中斷引腳INT1; SN7414的5引腳經(jīng)電阻R6接+5V電源，經(jīng)電容C26接地， 并且接端口 "PAR一MODE"，端口 "PAR—MODE"接前面板(1)上的參數(shù)調(diào)節(jié) 模式按鈕；SN7414的6引腳接端口 "PAR一SW"，端口 "PAR—SW"接中央處理 器(2) STC89C51的引腳P1.0; SN7414的9引腳經(jīng)電阻R7接+5V電源，經(jīng)電 容C27接地，并且接端口 "DSP—MODE"，端口 "DSP—MODE"接前面板(1) 上的顯示模式按鈕；SN7414的8引腳接端口 "DSP—SW"，端口 "DSP—SW"接 中央處理器(2) STC89C51的引腳Pl.l。
4、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的LED指示燈輸出電路(4)主要由MOS管Q2、 MOS管Q3、 MOS管Q4 和MOS管Q5構(gòu)成；其中，各MOS管的柵極S接地；各MOS管的源極G分別 經(jīng)電阻R8、 RIO、 R12和R14接中央處理器(2) STC89C51的P1.4、 P1.5、 P1.6 和P1.7引腳；各MOS管的漏極D分別經(jīng)電阻R9、 Rll、 R13和R15接端口"SET—T"、 "LIM—C"、 "ADJ—K"和"ADJ_tao";各端口再分別接前面板(1) 上的溫度預(yù)制指示燈、限流調(diào)節(jié)指示燈、比例系數(shù)K指示燈和積分常數(shù)t指示 燈。
5、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的溫度測量電路(6)包括+12丫電源接2.5￥穩(wěn)壓管01;穩(wěn)壓管D1陽極 與運(yùn)放U10B的同相輸入端和電阻R5相連；電阻R5另一端接地；運(yùn)放U10B 的輸出端與電阻R30和電容C37相連；電容C37與運(yùn)放U10B的反相輸入端相 連，并經(jīng)電阻R29與三極管Q1的射極相連；電阻R29與+12V電源相連；電阻 R30與三極管Q1的基極相連；三極管Q1的集電極接端口 "NTC—in"即前面板(1)的NTC輸入接頭；在三極管Q1的集電極輸出端連接一個由運(yùn)放U11A組成的電壓放大器，運(yùn)放U11A同相輸入端接三極管Q1的集電極，運(yùn)放U11A反 相輸入端接電位器R31的抽頭端；R31的另外兩端分別接地和U11A的輸出端； 運(yùn)放U11A的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換電路(7)的電壓輸入端口 "NTCFeedBack"。
6、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的電壓提供電路(9)包括集成運(yùn)放U10A的同相輸入端經(jīng)電阻R25接+12V 電源，經(jīng)電阻R26接地，另外電阻R26并接電容C35; U10A的反相輸入端經(jīng)電 阻R27接U10A的輸出端，另外電阻R27并接電容C36;運(yùn)放U10A的輸出端 就是+6V電壓提供電路(9)的電壓輸出端。
7、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的驅(qū)動電路控制電壓模塊(10)包括運(yùn)放U8A的同相輸入端接D/A轉(zhuǎn)換 電路(8)的輸出電壓"CUR—ctri"，經(jīng)電容C29接+6V電壓提供電路(9)的輸 出電壓"+6V"; U8A的反相輸入端經(jīng)電容C30接+6V電壓提供電路(9)的輸 出電壓"+6V"，經(jīng)電容C31接U8A的輸出端，運(yùn)放U8A的輸出端經(jīng)電阻R16 接運(yùn)放U9A的反相輸入端，U9A的反相輸入端經(jīng)電阻R17接U9A的輸出端； 運(yùn)放U9A的同相輸入端接+6V電壓提供電路(9)的輸出電壓"+6V"，經(jīng)電容 C32接U8A的輸出端;運(yùn)放U9A的輸出端接控制電壓輸出端口 C0N1的3引腳， 經(jīng)電阻R18接運(yùn)放U9B的反相輸入端，U9B的反相輸入端經(jīng)電阻R19接U9B 的輸出端；運(yùn)放U9B的同相輸出端接+6V電壓提供電路(9)的輸出電壓"+6V"; 運(yùn)放U9B的輸出端接控制電壓輸出端口 C0N1的4引腳；控制電壓輸出端口 C0N1的1引腳經(jīng)電阻R22接運(yùn)放U犯的反相輸入端，U8B的反相輸入端經(jīng)電 阻R23接U8B的輸出端；控制電壓輸出端口C0N1的2引腳經(jīng)電阻R20接運(yùn)放 U8B的同相輸入端，U8B的同相輸入端經(jīng)電阻R21接+6V電壓提供電路(9)的 輸出電壓"+6V";運(yùn)放U8B的輸出端經(jīng)電阻R24接運(yùn)放U8A的同相輸入端； 控制電壓輸出端口 C0N1的6、 8、 10引腳接+12V電源，經(jīng)電容C1、 C2接地； 控制電壓輸出端口 C0N1的5、 7、 9引腳接地。
8、 按照權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器，其特征是， 所述的驅(qū)動電路功率模塊(11)包括控制電壓輸入端口 C0N4的1、 2、 3、 4 引腳與用參數(shù)互補(bǔ)的達(dá)林頓管組成橋式電路相連；所述的橋式電路的構(gòu)成包括 控制電壓輸入端口 CON4的3引腳與NPN型達(dá)林頓管Ql及PNP型達(dá)林頓管Q2的基極相連；達(dá)林頓管Ql的集電極接+12V電源；達(dá)林頓管Q2的集電極接 地，達(dá)林頓管Ql的發(fā)射極與達(dá)林頓管Q2的發(fā)射極相連后再通過0.1歐姆的取 樣電阻Rsl串接輸出端口 "TEC"，即前面板(1)上的TEC輸出接頭與NPN型 達(dá)林頓管Q3及PNP型達(dá)林頓管Q4的射極相連；達(dá)林頓管Q3的集電極接+12V 電源；達(dá)林頓管Q4的集電極接地；控制電壓輸入端口 CON4的4引腳與達(dá)林頓 管Q4及達(dá)林頓管Q5的基極相連；取樣電阻Rsl兩端還與電壓輸入端口 CON4 的1、 2弓,相連；輸出端口 "TEC"的兩個引腳還分別與電壓輸入端口 CON4 的3、 4引腳相連；控制電壓輸入端口 CON4的6、 8、 10引腳接+12V電源；控 制電壓輸出端口CONl的5、 7、 9引腳接地。
全文摘要
本發(fā)明的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒溫控制器屬于電子設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種控制半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷和控制恒溫的電子設(shè)備。結(jié)構(gòu)包括前面板(1)、半導(dǎo)體致冷器、中央處理器(2)、按鈕輸入電路(3)、LED指示燈輸出電路(4)、串口通信電路(5)及由溫度測量電路(6)、A/D轉(zhuǎn)換電路(7)、D/A轉(zhuǎn)換電路(8)、電壓供電電路(9)、驅(qū)動電路控制電壓模塊(10)、驅(qū)動電路功率模塊(11)和顯示模塊(12)組成閉合的控制環(huán)。利用自動控制算法最終保證受控物體的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度值上。可設(shè)定溫控范圍-40～+100℃，精確度+/-0.2℃，穩(wěn)定度+0.005℃。
文檔編號H01S5/024GK101540474SQ20091006676
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者單江東, 戈 吳, 汝玉星, 田小建 申請人:吉林大學(xué)