畢業(yè)設(shè)計-LD自動功率控制系統(tǒng)

an大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計（論文）題目：基于MCS-51單片機(jī)的LD自動功率控制系統(tǒng)系另肚電孑工程系專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：完成時間：目錄TOC\o"1-5"\h\z1概述-3-\o"CurrentDocument"1.1課題背景-3-\o"CurrentDocument"1.2國內(nèi)外研究情況-3-\o"CurrentDocument"1.3課題目的及意義-4-\o"CurrentDocument"1.4主要性能及要求-4-\o"CurrentDocument"2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理-5-\o"CurrentDocument"2.1半導(dǎo)體激光器簡介-5-\o"CurrentDocument"2.2半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)-6-\o"CurrentDocument"2.3激光產(chǎn)生條件-6-\o"CurrentDocument"2.4影響半導(dǎo)體激光器工作的因素-7-\o"CurrentDocument"2.5半導(dǎo)體激光器的工作特性-9-3硬件設(shè)計-11-3.1系統(tǒng)的組成-11-\o"CurrentDocument"3.2控制元件簡介-12-3.3分電路模塊-14-4軟件設(shè)計-16-\o"CurrentDocument"4.1編程語言的選擇-16-4.2程序框圖-19-5電路調(diào)試與仿真-21-5.1硬件調(diào)試-21-5.2軟件調(diào)試-22-畢業(yè)設(shè)計總結(jié)-24-參考文獻(xiàn)-25-附錄一-26-附錄二-31-基于MCS-51單片機(jī)的LD自動功率控制系統(tǒng)摘要：穩(wěn)定光源在光學(xué)測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出光功率可調(diào)、穩(wěn)定度高的光信號，穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備在精密光電檢測領(lǐng)域中，微小的光源波動會引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差，因此本課題介紹的是一種單片機(jī)控制激光二極管輸出功率的方法，針對SANYO30mW紅光LD設(shè)計了驅(qū)動電路。單片機(jī)內(nèi)對監(jiān)測電流偏差進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)運(yùn)行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。本課題設(shè)計的是穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的輸出功率，我們從自動控制理論出發(fā)，先闡述PID控制理論，接著再設(shè)計了數(shù)字設(shè)置輸出光功率、閉環(huán)PID自動調(diào)節(jié)的LD驅(qū)動電路，以此達(dá)到使半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定的目的。［關(guān)鍵詞］LD驅(qū)動電路，單片機(jī)，功率穩(wěn)定可調(diào)激光二極管，PID調(diào)節(jié)。1概述1.1課題背景在精密光電檢測領(lǐng)域中，微小的光源波動會使得被測量偏移，進(jìn)而產(chǎn)生較大的測量誤差，所以對于光源穩(wěn)定性的要求就非常高了。而穩(wěn)定光源在光學(xué)測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號，穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。半導(dǎo)體激光器（LD）與其他激光器相比，不僅具有單色性高、高亮度、高方向性的特性，而且具有體積小、價格低、低功率、易于集成、便于工作、壽命長、波長可調(diào)、可快速調(diào)制等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是多重量子井型的效率有20?40%，P-N型也達(dá)到15%?25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達(dá)50W（帶寬100ns）等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激發(fā)光源可說是最佳的選擇。1.2國內(nèi)外研究情況國內(nèi)一些學(xué)者對穩(wěn)定激光光源做了研究。有的設(shè)計使激光器注入電流穩(wěn)定，配合使用溫控電路，這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)，由于積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨(dú)使用。這兩種方法共同特點(diǎn)是模擬調(diào)節(jié)。再者，2012年廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的董全財提出了一種基于DSP技術(shù)和PID算法的自動控制方法，來控制半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動電流以實(shí)現(xiàn)對其輸出功率。與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比,DSP技術(shù)與PID算法的應(yīng)用能有效提高半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。而本課題是從自動控制理論出發(fā)，先闡述PID控制理論，接著再設(shè)計了數(shù)字設(shè)置輸出光功率、閉環(huán)PID自動調(diào)節(jié)的LD驅(qū)動電路，以此達(dá)到使半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定的目的。1.3課題目的及意義光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，在精密光電檢測領(lǐng)域中，這樣的偏移會產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導(dǎo)體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解其它光電學(xué)參量，在這種情況下，由于薄膜增長的緩慢（0.1nm級/秒），反射比變化非常小，其對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達(dá)到0.1%，所以穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的一種重要測試儀器設(shè)備。為減少測量誤差，LD自動功率控制系統(tǒng)便成為一個重要的研究方向。與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比，PID算法的應(yīng)用能有效提高半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。并且半導(dǎo)體激光器（LD）由于其具有體積小、價格低、低功率、可快速調(diào)制、方向性好、光功率利用率高、工作電壓要求較低等一系列特點(diǎn)，越來越受到人們的重視，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域、光電子技術(shù)領(lǐng)域、激光技術(shù)領(lǐng)域、信息技術(shù)領(lǐng)域等方面。1.4主要性能及要求功率穩(wěn)定可調(diào)的激光二極管（LD）在精密光電檢測和光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。本文針對SANYO30mW紅光LD設(shè)計了驅(qū)動電路，其驅(qū)動電流在0?100mA之間可調(diào)，最小可調(diào)量＜0.01mA。單片機(jī)內(nèi)對監(jiān)測電流偏差進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)運(yùn)行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定可調(diào)。2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1半導(dǎo)體激光器簡介半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相十的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。I960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了神化鎵半導(dǎo)體激光器被成功激發(fā)。在1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。半導(dǎo)體激光器工作原理是通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。通排HEM7F尚曲波圖2.1半導(dǎo)體激光器P-I的關(guān)系曲線圖半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由神化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化鋼（InP）、硫化鋅（ZnS）等等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單品（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵.高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單品(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵。在半導(dǎo)體激光器件中，目前性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。2.2半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的P區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。2.3激光產(chǎn)生條件半導(dǎo)體激光器是一種相十輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件：增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。要實(shí)際獲得相十受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體品體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。2.4影響半導(dǎo)體激光器工作的因素影響半導(dǎo)體激光器工作的因素有很多，但決定半導(dǎo)體激光器輸出的主要因素是半導(dǎo)體材料、溫度及閾值電流。2.4.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體激光器件的工作波長是和制作器件所用的半導(dǎo)體材料的種類相關(guān)的。半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價帶，導(dǎo)帶上面可以讓電子自由運(yùn)動，而價帶下面可以讓空穴自由運(yùn)動，導(dǎo)帶和價帶之間隔著一條禁帶，當(dāng)電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導(dǎo)帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導(dǎo)帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。2.4.2半導(dǎo)體激光器的工作溫度半導(dǎo)體激光器對溫度很敏感，其輸出功率隨溫度變化而變化。50100/(mA)圖2.3半導(dǎo)體激光器輸出功率與溫度的關(guān)系曲線圖溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大。溫度對閾值電流的影響，可用下式描述：IIeT/T0式中，I0表示室溫下的閾值電流，'\表示溫度，T0稱為特征溫度（表示激光器對溫度的敏感程度）。一般InGaAsP的激光器，T0=50?80K；A1GaAs/GaAs的激光器，T0=100?150K。二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。如GaAs激光器，絕對溫度77K時，nd約為50%；當(dāng)絕對溫度升高到300K時，nd只有約30%。2.4.3閾值電流半導(dǎo)體激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示。當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith表示。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個因素：

圖2.4半導(dǎo)體激光器的光功率特性曲線圖（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。（2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。（3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。圖2.5半導(dǎo)體激光器閾值和溫度T的關(guān)系2.5半導(dǎo)體激光器的工作特性2.5.1效率圖2.5半導(dǎo)體激光器閾值和溫度T的關(guān)系（1）量子效率^=每秒發(fā)射的光子數(shù)/每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù)

77K時，GaAs激光器量子效率達(dá)70%—80%；300K時，降到30%左右。（2）功率效率n1=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的n1最高10%，只有在低溫下才能達(dá)到30%—40%。2.5.2方向性由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。2.5.3光諾特性由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，所圖2.6低于閾值時的熒光光譜O以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。圖2.6低于閾值時的熒光光譜O注入電流達(dá)到或大于閾值時的激光光譜2.5.4伏安特性半導(dǎo)體激光器的伏安特性與一般二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖所示。反向電壓正向電流GaAs激光器的伏安特性圖2.7激光器的伏安特性曲線圖激光器系正向運(yùn)用，其電阻主要取決于晶體電阻和接觸電阻，雖然阻值不大，但因工作電流大，不能忽視它的影響。3硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的組成LD激光器的光功率控制是通過光電二極管檢測LD的背光光功率從而進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的。光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機(jī)，與單片機(jī)內(nèi)監(jiān)測電壓參考值（在設(shè)定功率條件下，監(jiān)測電流差分放大成的電壓量的數(shù)字表示，也即是在電路參數(shù)不變的情況下，一個確定的監(jiān)測電壓參考值對應(yīng)一第11頁共30頁A差分放大-A/D轉(zhuǎn)換存儲器單片機(jī)計算機(jī)個確定的激光器輸出光功率設(shè)定值）之間作差，產(chǎn)生電壓的偏差信號，再對偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及電壓一電流（V-I）變換后，驅(qū)動A差分放大-A/D轉(zhuǎn)換存儲器單片機(jī)計算機(jī)PID調(diào)節(jié)是為了使激光器輸出功率穩(wěn)定、精度準(zhǔn)確。單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，如圖,3.1所示電壓,電流轉(zhuǎn)換圖3.1LD閉環(huán)控制驅(qū)動電路框圖PD監(jiān)測Xlz驅(qū)iiLD3.2控制元件簡介AT89C51硬件結(jié)構(gòu)及引腳AT89C51系列單片機(jī)有4種型號：AT89C51,AT89C52,AT89C1051,AT89C2051,我這里所使用的是AT89C51系列單片機(jī)，如圖3.2所示：[[[[[[[[[[[[[[[[[[45673g10111213144039383736353433323130292827片機(jī)AT89C51625■FPEROM取代了管腳說明:P1.0Pl.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETKKD/P3.0TKD/P3.1INT0/P3.23T0/P3.4圖3.32迎WP3.6】AT89C51引腳圖除程序存儲器由日89C51的引腳與87C51的引腳完全兼容。。VccP0.0/AL0P0.1/AL1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AL5P0.6/AL6P0.7/AL7EA/VppALE/PROCPSENP2.7/AD15P2.6/AD141引腳圖DI3]P2.4/AL12粹C，1魁EPR°m外，其余部分完全相同。JP2.1/AL9JP2.0/AL8（1）P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。（2）P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。（3）P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。（4）VCC:供電電壓（5）GND：接地（6）P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。P3口管腳備選功能P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.1TXD（串行輸出口）P3.0RXD（串行輸入口）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。（7）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（8）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。（9）/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。（10）/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)

器周期兩次/PSEN有效。（11）RST：復(fù)位輸入。激光二極管參數(shù)與選擇常見激光二極管封裝有兩種形式：共陰極與共陽極型（圖3.3a）。LD和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。本課題，我們采用的655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（LD的正極與PD的負(fù)極連接在一起），其最大輸出光功率為30mw，閾值電流為40mA（25<￡），工作電流最大110mA，光電二極管（PD）的監(jiān)測電流"與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關(guān)系（圖3.3b），這為后面控制電路的設(shè)計提供了依據(jù)。圖3.3封裝及監(jiān)測電流和輸出功率特性曲線3.3分電路模塊3.3.1模/數(shù)及數(shù)/橫轉(zhuǎn)換器圖3.3封裝及監(jiān)測電流和輸出功率特性曲線A/D轉(zhuǎn)換器選用美信公司的MAX1062,D/A轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉(zhuǎn)換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機(jī)的用戶口P1相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4.096V量程的電壓量化成214份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/1214均可檢測到，即該驅(qū)動電路可以檢測到＜0.01%的激光器光功率變化，進(jìn)而可在單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)。同樣設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅(qū)動電流的最小可調(diào)節(jié)量為150/214=0.01mA。電壓/電流轉(zhuǎn)換由于上述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出無緩沖，故采用運(yùn)放與場效應(yīng)管組成的共源放大電路。其中運(yùn)放對輸出有緩沖作用。圖3.4電壓/電流轉(zhuǎn)換電路上圖電路圖中V1為D/A的輸出電壓，場效應(yīng)管的漏極-源極的電流（即LD的驅(qū)動電沁為：IDS=V1x1.1x（—+-—）Rs16.54由上述可見，驅(qū)動電流由V］及小電阻Rs決定。在實(shí)際中取Rs為30。的高精度電阻，則由上式可得滿量程電流為150mA。由于LD正常工作時，其壓降為2V左右，所以這樣設(shè)計驅(qū)動電流最大值不會超過100mA，對LD可以起到保護(hù)作用。故驅(qū)動電流在0?100mA之間可調(diào)。由上式可見，最大驅(qū)動電流可以通過調(diào)節(jié)Rs的大小來得到，設(shè)計靈活性較大。同時設(shè)計中在LD兩端并接一個容值恰當(dāng)?shù)碾娙莸降兀砸种评擞侩娏鞯挠绊?。差分放大模塊

監(jiān)測電流很小，尤其當(dāng)激光器輸出功率＜10mW時。如果把監(jiān)測電流通過電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的輸入不準(zhǔn)確。因此在設(shè)計中應(yīng)該消除或減小環(huán)境溫度對A/D轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設(shè)計中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114。此模塊如下圖所示圖3.5監(jiān)測電流的差分放大原理圖圖3.5監(jiān)測電流的差分放大原理圖其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：V0=（IrfTm）XRX（1+5Ok/R）此外，單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展了8K外部RAM，電路中單片機(jī)與計算機(jī)間通過RS232串行口進(jìn)行通信，采用的RS232收發(fā)器為MAX3232。計算機(jī)通過串口可對LD的初始驅(qū)動電流、參考監(jiān)測電壓進(jìn)行設(shè)置，還可以對PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這樣可以方便快捷地整定出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。存儲器中存放一些設(shè)定參數(shù)以及暫存PID運(yùn)算的中間結(jié)果4軟件設(shè)計4.1編程語言的選擇4.1.1匯編語言匯編語言（AssemblyLanguage）是面向機(jī)器的程序設(shè)計語言。在匯編語言中，用助記符（Memoni）代替機(jī)器指令的操作碼，用地址符號（Symbol）或標(biāo)號（Label）代替指令或操作數(shù)的地址，如此就增強(qiáng)了程序的可讀性和編寫難度，象這樣符號化的程序設(shè)計語言就是匯編語言，因此亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機(jī)器不能直接識別，還要由匯編程序或者叫匯編語言編譯器轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令。匯編程序?qū)⒎柣牟僮鞔a組裝成處理器可以識別的機(jī)器指令，這個組裝的過程稱為組合或者匯編。因此，有時候人們也把匯編語言稱為組合語言。匯編語言是一種低級的編程語言，用它編出的程序使用簡單方便，并且目標(biāo)代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，可以滿足大部分用戶的需求。使用匯編語言必須對某種處理器非常了解，而且只能針對特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進(jìn)行優(yōu)化，要求編程者具有較高的專業(yè)水平。4.1.2C語言（1）C語言是一種相對較簡單的編程語言，對編程者的要求不是太高，它即具有高級語言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級語言的許多特點(diǎn)。（2）C語言的特點(diǎn)C語言具有以下特點(diǎn)：語言簡潔，使用方便靈活。可移植性好。C語言的編譯程序便于移植，從而使在一種機(jī)器上使用的C語言程序，可以不加修改或稍加修改即可方便地移植到另一種機(jī)器上去。表達(dá)能力強(qiáng)。具有豐富地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和多種運(yùn)算符，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地運(yùn)算。表達(dá)方式靈活。可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計?？梢灾苯硬僮饔嬎銠C(jī)硬件。生成的目標(biāo)代碼質(zhì)量高。對于同一問題，用C語言編寫的程序生成代碼的效率僅比用匯編語言編寫的程序低10%—20%。所以對于PID算法、中值濾波程序以及主程序采用C語言編寫。C語言程序的接口C51編譯器提供了與匯編語言程序的接口規(guī)則，按此規(guī)則可以很方便地實(shí)現(xiàn)C語言程序與匯編語言程序的相互調(diào)用。實(shí)際上C語言程序與匯編語言程序的相互調(diào)用可視為函數(shù)的調(diào)用，只不過此時函數(shù)采用不同語言編寫的而已。C語言程序函數(shù)和匯編語言函數(shù)在相互調(diào)用使，可利用8051單片機(jī)的工作寄存器最多傳遞3個參數(shù)，如圖4.1所示:傳遞的參數(shù)char、1字節(jié)指針int、2字節(jié)指針long、float一般指針第一個參數(shù)R7R6、R7R4~R7R1,R2,R3第二個參數(shù)R5R4、R5R4~R7R1,R2,R3第三個參數(shù)R3R2、R3無R1,R2,R3圖4.1參數(shù)傳遞的工作寄存器選擇如果在調(diào)用時參數(shù)無寄存器可用，或是采用了編譯控制指令“NOREGPARMS”，則參數(shù)的傳遞將發(fā)生在固定的存儲器區(qū)域，該存儲器區(qū)域稱為參數(shù)傳遞段，其地址空間取決于編譯時所選擇的存儲器模式。當(dāng)C語言程序與匯編語言程序需要相互調(diào)用，并且參數(shù)的傳遞發(fā)生在參數(shù)傳遞段時，如果傳遞的參數(shù)是char、int、long和float類型的數(shù)據(jù)，則參數(shù)傳遞段的首地址將由“？functionname?BYTE”的公共符號(PUBLIC)確定，傳遞的參數(shù)是bit類型的數(shù)據(jù)時，參數(shù)傳遞段的首地址由“？functionname?BIT”的公共符號(PUBLIC)確定。所以被傳遞的參數(shù)都被放在以首地址開始遞增的存儲器區(qū)域內(nèi)。函數(shù)的返回值被放在8051單片機(jī)的寄存器內(nèi)，如圖4.2所示:返回值類型寄存器說明bit進(jìn)位位C(unsigned)charR7(unsigned)intR6,R7高位在R6中，低位在R7中(unsigned)longR4R7~高位在R4中，低位在R7中floatR4R7~32位IEEE格式，指數(shù)和符號位在R7中一般指針R1,R2,R3R3放存儲器類型，高位在R2，低位在R1圖4.2函數(shù)返回值所占用的工作寄存器C51編譯器提供了一個十分有用的編譯控制指令SRC，在編寫匯編語言程序函數(shù)時可以先按需要用C語言編寫相應(yīng)的函數(shù)，對該函數(shù)單獨(dú)采用編譯控制指令SRC進(jìn)行編譯，編譯完成后將產(chǎn)生一個匯編語言源程序。然后再對這樣產(chǎn)生的匯編語言子程序作一些必要的調(diào)整和修改，即可很方便地完成匯編語言子程序地編寫，而編寫過程中各種段的安排全部由C51編譯器自動完成，從而大大提高匯編語言程序的編寫效率。綜上所述，C語言相比匯編語言有著更多的優(yōu)勢。因此，本課題采用了C語言作為設(shè)計的編程語言。4.2程序框圖本程序首先對監(jiān)測電流、電壓值進(jìn)行設(shè)置，然后再設(shè)置PID的調(diào)節(jié)參數(shù)，與采集到的實(shí)際檢測的電流電壓值進(jìn)行PID判斷，如果設(shè)置的電流、電壓值在PID調(diào)節(jié)參數(shù)范圍內(nèi)的話那就穩(wěn)定輸出，如果不在范圍內(nèi)的話再根據(jù)相關(guān)電路重新設(shè)置新的電流、電壓值。程序框圖見圖4.3（源程序見附錄一）圖4.3程序框圖5電路調(diào)試與仿真系統(tǒng)調(diào)試包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可能發(fā)現(xiàn)硬件故障。硬件調(diào)試的任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括工藝性故障和設(shè)計性錯誤。5.1硬件調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件故障是在調(diào)試軟件時發(fā)現(xiàn)的，但通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。先要對硬件進(jìn)行脫機(jī)調(diào)試，脫機(jī)調(diào)試是在樣機(jī)加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖，仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對元器件的型號規(guī)格和安裝是否符合要求。5.1.1Protel99SE軟件Protel99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計工具。Protel99SE由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計（AdvancedSchematic）和多層印刷電路板設(shè)計。在做設(shè)計的前期我們使用這款軟件來模擬繪制電路，這給我們前期的工作帶來了很大的便利，比如說做這個系統(tǒng)要用到的器件，電阻，電感，AT89C51單片機(jī)，開關(guān)，電容，放大器等等元器件（詳見附錄二）都能一一的展現(xiàn)出來，而且也能糾正純電路時的接線錯誤。5.1.2硬件調(diào)試工具—PROTEUS仿真PROTEUS是由英國labcenterelectronics公司開發(fā)的EDA工具軟件。它從1989年出現(xiàn)到現(xiàn)在已有十多年的歷史，在全球廣泛使用。PROTEUS安裝以后，主要由2個程序組成：ARES和ISIS。前者主要用于PCB自動或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應(yīng)的仿真。除了上述基本應(yīng)用之外，PROTEUS可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件代碼機(jī)的調(diào)試，還可以直接實(shí)時動態(tài)的模擬按鈕鍵盤的輸入，LED，液品顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器，邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測量和觀測。仿真圖如下：圖5.1PROTEUS軟件仿真電路圖仿真小結(jié)：在仿真的過程中我們也發(fā)現(xiàn)了些問題，大多數(shù)都是因為我們制圖中的疏忽以及對此款軟件不熟悉造成的?？偟膩碚f，通過這次設(shè)計我基本熟悉了使用PROTEUS仿真軟件的方法。5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序后，編輯、查看程序是否有邏輯的錯誤。5.2.1軟件調(diào)試工具——Keil軟件為了檢驗我們到底有沒有最終完成了這個作品，我們決定通過使用Keil軟件來模擬一下，下面介紹一下這個軟件。（1）Keil軟件介紹Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。（2）編譯步驟打開Keil軟件（雙擊Keil圖標(biāo)），新建一個項目（Project—Newproject），保存項目（以lll.asm保存），選擇單片機(jī)（Atmel—At89c51—確定一否），調(diào)入C語言程序（Target—AddFeil—text1.asm—打開），編譯程序（project—OptOutput—將CreateHexFeil打勾一確定一Project—Buildtarget)軟件截圖如下:-|g|x|-|g|x|PlFileEditViewProjectDebugFlashPeripheralsTools5VC5WindowHelp樣includerrLddciver.hrr#include<INTRINS.H>intxdataDout[ll];//intdataViset=5267;////^^監(jiān)測電壓設(shè)定值,時應(yīng)初始驅(qū)動電BEV0=3000的監(jiān)測電//intdata7min=2400,7pid=0,70=3000,7max=4800,7pres,7prev=3000;//vain最小電壓///7VD初始驅(qū)動電壓值「3DDD耐應(yīng)驅(qū)動電^50mA圖期莎蜷展l軟件截圖穩(wěn)定在初始狀態(tài)5口廁電流驅(qū)動匚

應(yīng)驅(qū)動電源BCimA/7通節(jié)過程中Vbias+7pid為驅(qū)動電壓，應(yīng)在Vbiam和Wihe第23頁共30頁////intdataViset=5267;////^^監(jiān)測電壓設(shè)定值,對應(yīng)初始驅(qū)動電BEV0=5454的監(jiān)測電//intdata7min=4363,Vpid=0,70=5454,7max=8726.Vpres,7prev=5454;，gin最小電壓/7VD初始驅(qū)動電壓值「5454對■應(yīng)驅(qū)動電^50mA/7調(diào)節(jié)結(jié)果是為使功率穩(wěn)定在初始狀態(tài)5DmA電流驅(qū)動匚仿真小結(jié)：通過多次的仿真和調(diào)試已基本達(dá)到硬件的要求。畢業(yè)設(shè)計總結(jié)大學(xué)三年就要結(jié)束了，在這三年里我由淺入深地學(xué)習(xí)了與電子相關(guān)的一些知識，開始慢慢的了解電子技術(shù)。最后的畢業(yè)設(shè)計是對我三年的所學(xué)做一個全面的考察，但從理論到實(shí)踐還是有不小難度的。這次的畢業(yè)設(shè)計相對于以前的課程設(shè)計，多了很多思考，由于有之前的課程設(shè)計的基礎(chǔ)，在畢業(yè)設(shè)計時不再那么不知所措，多少有點(diǎn)大致的方向。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我明白了自己原來的知識比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還很多。這次畢業(yè)設(shè)計，讓我明白了學(xué)習(xí)是一個不斷積累的過程，我以前所懂的都只是停留在表面，并讓我知道，在以后的工作和生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力的充實(shí)自己。轉(zhuǎn)眼畢業(yè)設(shè)計也要接近尾聲了，實(shí)習(xí)時利用業(yè)余時間來完成對畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計與修改，在指導(dǎo)老師的幫助下通過自己的努力完成了畢業(yè)設(shè)計。這期間的經(jīng)歷是難以忘懷的，有遇到問題時的糾結(jié)、煩惱，也有成功時的喜悅，我喜歡這種經(jīng)歷，畢竟它是我人生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（學(xué)生時代的終結(jié)，同時也是我將踏入社會，進(jìn)入工作崗位，迎接挑戰(zhàn)的新開始）。在本次畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，感謝方***老師對本論文從選題、構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心的指導(dǎo)和幫助，使我對基于MCS-51單片機(jī)的LD自動功率控制系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識，并最終得以完成畢業(yè)論文。雖然這個設(shè)計做的也不是很好，但是在設(shè)計的過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計最大的收獲和財富，使我終身受益！對此，我表示我最衷心的感謝。。在整個設(shè)計過程中我懂得了許多東西，樹立了自己工作能力的信心，而且大大提高了動手能力，我相信會對以后的學(xué)習(xí)和工作有非常重要的影響。最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進(jìn)行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝！參考文獻(xiàn)林曉翰，蘇國彬，劉建勝，等.半導(dǎo)體激光器的大電流窄脈沖驅(qū)動電路的研究[J].壓電與聲光,2009,22（6）賈宏志，李育林，張倍琨。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的設(shè)計。應(yīng)用激光，2013.181。孫全意.激光近炸引信的體制、定距與識別技術(shù)的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2012.53-61,77-81。潘永雄新編單片機(jī)原理與應(yīng)用西安：西安電子科技大學(xué)出版社2010。楊位欽，謝錫祺。自動控制理論基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)出版社，2011.230。潘新華，王燕芳。單片微型計算機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計。人民郵電出版社，2012.302-319。孫德剛，唐海峰。脈沖式激光引信用連續(xù)可調(diào)LD驅(qū)動電路的研究（J）激光技術(shù)；2008年02期；107-109。王效華，張詠梅。單片機(jī)原理與應(yīng)用。北京交通大學(xué)出版社，2011.5。王煒基于8031單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2012,張志良單片機(jī)原理與控制技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009。何立民MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2013。沙占友等單片機(jī)外圍電路設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社，2008。11（3）。武慶生單片機(jī)及其應(yīng)用成都：電子工業(yè)大學(xué)出版社2009。孫番典，一種高精度可調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光管控制電路。大學(xué)物理實(shí)驗，2012,9（2）。劉偉，萬秋玉，遲立華。穩(wěn)定化激光二極管電源。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2010（6）,98。附錄一C語言源程序#include"Lddriver.h"#include<INTRINS.H>intxdataDout[11];//intdataViset=5267;////設(shè)置監(jiān)測電壓設(shè)定值，對應(yīng)初始驅(qū)動電壓V0=3000的監(jiān)測電壓vout值//intdataVmin=2400,Vpid=0,V0=3000,Vmax=4800,Vpres,Vprev=3000;//vmin最小電壓偏置量，2040對應(yīng)LD閾值電流40mA////V0初始驅(qū)動電壓值,3000對應(yīng)驅(qū)動電流50mA〃調(diào)節(jié)結(jié)果是為使功率穩(wěn)定在初始狀態(tài)50mA電流驅(qū)動條件下的光功率值//Vmax對應(yīng)驅(qū)動電流80mA〃調(diào)節(jié)過程中Vbias+Vpid為驅(qū)動電壓，應(yīng)在Vbias和Vmax之間////intdataViset=5267;////設(shè)置監(jiān)測電壓設(shè)定值，對應(yīng)初始驅(qū)動電壓V0=5454的監(jiān)測電壓vout值//intdataVmin=4363,Vpid=0,V0=5454,Vmax=8726,Vpres,Vprev=5454;//vmin最小電壓偏置量，4363對應(yīng)LD閾值電流40mA//V0初始驅(qū)動電壓值,5454對應(yīng)驅(qū)動電流50mA〃調(diào)節(jié)結(jié)果是為使功率穩(wěn)定在初始