激光器驱动与控制电路设计 第3页 本次设计的任务无需关心激光器本身的工作原理，我们使用时只需知道其工作方式，使用方法及注意事项即可。激光器有驱动电流输入正负极，还有就是12针的控制接插头，
12针接头划分
（1）测温电阻公共端（BRF和LBO）
（2）LBO测温电阻
（3）保留
（4）外壳测温电阻
（5）外壳测温电阻
（6）光电池负极
（7）光电池正极 图2-1 针脚排列
（8）BRF测温电阻
（9）BRF TEC ＋
（10）BRF TEC － 图2-2 接插头
（11）LBO TEC ＋
（12）LBO TEC －
2.2激光器使用注意事项
激光器设备昂贵，因此使用时要注意保护激光器，激光器所产生的功率较大，因此实验时也要注意自我保护。首先应特别注意电器连接，激光二极管的正极与外壳相连，该激光器可以被静电放电毁坏。在操作该设备时，必须使用适当的接地措施，如个人的接地手环。防静电拖鞋和手套，不可以直接用手触摸。激光器工作时会产生大量热量，要配备良好散热工作环境，比如加风扇，加热沉，实施制冷手段。为了正确地操作该激光器，应当保证热沉具有足够的散热能力和适当的热阻。使用不足够强的热沉会导致设备损坏。目视激光器的安装表面，保证激光器在整个基底上都可以保证与热沉之间的良好接触。如果不能够做到良好的热接触，将导致设备损坏。在实验过程中要注意激光器外壳的电绝缘。否则可能使设备由于不注意的电冲击而损坏。在电安装的过程中要使用短路夹，否则可能会损坏设备。操作激光器时要佩戴激光护目镜。在干燥的环境中使用激光器时设备可能会因为凝露而损坏。注意避免激光反射回设备内，否则会损坏设备。超过3V的反向偏压会导致设备损坏。超过55A的正向电涌，即便是只有毫秒量级，也会导致设备损坏。超过25A的负向电流冲击会损坏设备，超过光学输出功率技术规范推荐值将加速设备老化，并可能损坏设备。在取掉短路夹的过程中要使用适当的接地措施。保证由输出窗口上取下保护盖，否则可能会将其融化，并永久性损坏输出窗口。激光器的光输出会导致眼睛失明，要注意反射光，使用护目镜。保证输出光射到适当的位置。如果使用通用实验室电源，不要在最大电流的情况下开关设备。所导致的电冲击会损坏设备， 如果使用通用实验室电源，在所有的开关状态中要使用短路夹。不要将供电电压超过5V，更高的电压会损坏设备。
以上所讲安全措施是必须要在实验时注意，否则任何不合适的做法都有可能造成做重大经济损失。
2.3 激光器应用
以上所介绍为本次设计使用的激光器的基本概况。本次设计内容主要是围绕该激光器设计一款用于指纹照明的产品。设计的内容是如何研发出更有效的驱动电路和更人性化的控制，要整体考虑将来设备的体积、功耗、工作环境等实际问题。本次设计包括对激光器的驱动设计，利用单片机对激光器作简单控制。并完成电路设计，硬件搭建，软件调试等工作。
3 电路控制
3.1控制电路总体结构
3.1.1电路组成部分
硬件总体特征就是以主控CPU板为核心，配有多路输入输出口和数模模数转换器件，用单片机来控制激光器驱动电源，用单片机来实现人机交互，用单片机来完成激光器的实时温度监控。
CPU控制板是使整个系统正常运转的核心部分，它承担闭环控制运算，AD芯片、DA芯片、数码管、按键、LED指示灯等所有器件的驱动及控制。总体硬件框图如下所示：
图3-1 整体硬件框图
整个系统大体由五部分组成，即可控电源，主控板，人机交互板，温度模块，激光器。可控电源有一个输出端即电流输出给激光器，有三个输入端，分别是供电电压输入，电压调节电流输入，使能输入；主控板有四路模拟量输入，五路数字量输入，一路数字量输出，一路模拟量输出，四路模拟量分别是激光器滤波片温度，倍频晶体温度，激光功率电压反馈信号，激光器外壳测温电阻引线，五路数字量分别是数码管显示控制，两个指示灯显示，蜂鸣器控制和出光按钮，一路数字量输出是电源使能端，一路模拟量输出是电压调节电流；人机交互板包括数码管显示功率，电源指示灯，状态指示灯，工作指示灯，异常蜂鸣器，功率调节按钮，复位按钮及主电源钥匙开关；温度模块包括两路TEC输出温度，一路横流源与热敏电阻配合产生的机壳温度；激光器本身有一路驱动电流，其内部有三个高精度热敏电阻，分别反映机壳温度，滤波片温度，倍频晶体温度，还有一路功率输出。
以上阐述了个硬件之间的输入输出关系，在做程序和硬件连接过程中应该保证其正确性。
人机交互部分的数码管显示采用动态扫描法，为提高显示效果和程序稳定性，采用10毫秒定时器中断显示法。为提高显示亮度，每位数码管显示的选通位接有放大器。按键程序采用循环查询法完成。CPU对数据进行采集并完成模数转换是采用了一款8位高速AD转换器，该转换器为SPI串行输出，共有8通道，可以同时对8路模拟量进行转换，温度控制模块、机壳温度和光功率都要通过该AD进行转换。由于CPU产生的控制量是数字信号，因此需要一个数模转换芯片，根据激光器的输入特性即输入电流不可超过30A，否则激光将会被烧毁，所以控制电压要保证控制在0-3V，那么输出电流也将会被控制在0-30A，从而推出DA的输出不可超过3V，解决的办法是可以在输出端加稳压管。
3.1.2 工作过程及关键问题
经过论证，该激光器方案成功后，其工作过程如下所述：接通电源后红色指示灯亮，表明电源正常接通，数码管显示初始功率设定值；此刻CPU检测AD数据，察看温度是否正常，如若无异常则黄色指示灯点亮，这表明控制器已确认发光条件，进入就绪状态，此时使用者可以调节输出功率，是否减小或是否增大，是否按下发光键。如果有调节功率按键按下，那么调节后的功率会显示在数码管上。当发光按钮被按下时CPU发出指令使电源产生电流，CPU经过运算后通过DA来调节电源的电压，电压的具体值要根据输入的功率值和反馈回的功率值来选择，发光输出的实际功率会被AD采集，CPU根据采集到的功率来微调控制电压使功率尽可能的稳定在输入值上。功率稳定是一个数字PID闭环算法。
图3-2 功率PID结构
在功率稳定的过程中，两块TEC的温度，和机壳的温度都在实时监控，如果有异常，立即切断电源电流，此时即使按下发光按钮也不能出光，而且黄色信号灯熄灭。整体程序处在一个循环中，这些功能被循环调用。
整体硬件的关键问题就是要保证AD器件不受电磁干扰，保证各硬件电器特性完好，给软件设计搭建一个正确的硬件环境。保证电器特性完好的方法是要以正确的理论来指导PCB板的设计，在设计方面进行多次测试反复调试。
3.2 温度控制
3.2.1 温度控制简介
经过方案论证，在温度控制方面有三个量需要实时监控，即激光器内部滤波片的温度监控，倍频晶体温度监控，激光器机壳的温度监控。
激光器工作时应保持一定温度以下，因为其发光工作时理论上会产生很多热量，而半导体激光器会因为热量积累温度升高而使产生光功率变得不稳定或效率降低或其他未知不利情况。为避免这种情况发生，我们建议要对滤波片和倍频晶体采用一款专用的温度控制模块来控制。由于激光器机壳内部有热敏电阻，机壳温度就由这个热敏电阻来体现。
温度控制模块是一种半导体制冷器驱动，他用来驱动激光器内部半导体制冷器，既TEC，TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的Ｎ型和Ｐ型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些Ｐ型和Ｎ型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器，对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。
该模块可以将目标物稳定在一个想要的温度之内，他的控制精度可以达到0.001摄氏度，当目标物温度低于人为设置值时，TEC会加热，当目标物温度高于人为设置值时，TEC会制冷，该模块内部形成温度闭环控制系统。
机壳温度则是由一个横流源通过机壳热敏电阻，随温度变化，阻值发生变化，从而电压发生变化，把这个电压送入AD然后进行处理。
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