激光器驱动与控制电路设计 第5页PID控制器各校正环节作用如下：比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差，提供系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ki,Ki越大，积分作用就越强，反之则越弱。微分环节：能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少条件时间。
随着电子技术的进步，以往用硬件实现的PID算法，现在用微控制器通过软件实现， 出现了数字PID控制算法。由于微控制器根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此积分和微分项不能直接使用，需要做离散化处理。按照模拟PID控制算法的公式，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下的近似变换：
式（3-6）
式中T为采样周期。将e(kT)简化表示成e(k)，即可省去T。代入上式得到离散化的PID表达式为： 式（3-7）
式中k采样点序号，k=0，1，2……其中U( k)为第k次采样时刻的微控制器输入值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的
偏差值。上式子经过Z变换可得： 式（3-8）
由此我们可以得到数字PID控制器的结构图为：
图3-9 数字PID控制结构
本次设计要求将输出功率稳定在设定值，由于要将输出功率控制在所设定功率值，就这种控制系统动态特性来讲，是具有滞后性的一阶环节。对于这样一个闭环反馈控制系统，我们将功率及所测得的电压信号量经AD转换之后所得到的相应数字量与送人单片机，与初始的功率设定量作比较，得偏差。为了提高控制质量我们对偏差进行PID运算通过闭环控制来完成。
图3-9 PID算法详细流程
3.3.2 功率稳定电路实现
本次设计关于稳定功率的硬件电路主要是由CPU，A\D、D\A转换器件完成的。电路结构框图如下所示
图 3-10 PID运算硬件结构
由使用者先输入欲得到的光功率输出值，当激光器开始工作时，输出光功率会被AD器件采集模拟电信号，经转换为数字信号后送给CPU处理，CPU根据输入值作PID运算处理并得出控制量，然后将数据传送给DA器件，DA器件把数字控制量转换为模拟控制量，从而实现了对光功率稳定的自动调节功能。
3.4 人机交互
3.4.1 数码管
为了使用方便外形美观的同时，使成本降低，并且使器件达到最大使用效率，本次设计采用两位共阳极八段数码显示管，数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态显示驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
本次设计采用的是动态显示驱动，数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
3.4.2 按键与指示灯
本次设计共设计了三个按键和三个LED指示灯，三个按键功能分别为上调功率、下调功率、发光按钮。三个LED指示灯分别为供电电源指示灯，发光准备就绪灯，发光正常指示灯。
按键的设计采用程序循环扫描的方式，整体程序在一直检查是否有按键被按下，查询到有键按下后将做出相应的处理。三个指示灯的作用十分重要，红色等指示电源是否正常供电。黄色指示灯点亮表明温度符合发光条件，如果有任何异常温度均会熄灭此灯以保护激光器。绿色指示灯表明激光器正以给定功率发光，并且CPUPID运算正常，光功率稳定。
3.5软件实现方案
3.5.1 总体工作流程图
总体工作流程图阐述了激光器控制的方法和详细过程。
当电源打开时，CPU对个硬件进行初始化，检查是否正常，并进行定时器设置，中断设置。为保证激光正常发光，CPU先从AD读取滤波片温度，读取倍频晶体温度，机壳温度，只有当三个温度都正常时，才能进行下一步发光准备。这时候，各硬件是否准备完毕会有一个黄色信号灯来提示，如果亮了就可发光，如果不亮，则检查温度或其它硬件是否出问题。
当发光按钮没有按下时，整个程序在做按键扫描工作，当功率上升键被按下，则输出功率则上升，当功率下降按键被按下则输出功率下降，输出功率为0-8瓦，分15档，每按一下变化0.5瓦，初始启动默认为0.5瓦。当发光键按下时，如果能正常发光就会有一个绿色的信号灯点亮，表明发光正常。此时CPU从AD读取激光功率，在与输入功率作比较，得出差值进行PID运算，得出孔质量，微调DA，以快速使输出功率稳定在所需值。发光按键按下时，程序一直循环进行PID运算，直到按键被放开，或者在发光过程三个温度一旦有一个不符合要求既会切断电源。
整个程序为两个大循环，第一循环为发光键没按下时，程序执行的是按键扫描，查询是否有功能键按下。第二循环为发光循环，这个过程是在发光键按下的条件下，同时各个温度满足发光条件时进行的，这个过程中程序要依次检查每个部分的温度情况，也要进行功率稳定运算。整体流程图如下所示：
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