一種基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置及控制方法，屬于半導體激光器領域。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的迅速發展，半導體激光器已經廣泛地應用于光纖通信、光纖傳感和激光雷達等領域，具有廣闊的應用前景。溫度是影響激光器性能指標的主要因素之一，當激光器的溫度升高，其輸出波長逐漸向長波長方向漂移，同時，溫度控制的精度也影響著激光器的線寬和功率，因此，必需對半導體激光器采用合適的溫度控制技術，從而保證半導體激光器或系統能夠正常工作。為此，研究人員在溫度控制系統方面做了研究工作，獲得了一定的進展。2007年，樓祺洪等人提出的申請號為200710045711.0的發明專利，利用電橋驅動芯片設計了熱電制冷器的驅動電路，實現了半導體激光器的溫度控制；2014年，朱俊提出的半導體激光器自動溫度控制系統(申請號:201410480407.9)，采用惠斯通電橋和運算放大器設計的溫度檢測放大電路，實現半導體激光器溫度的控制。
[0003]以上的技術具有一定的應用參考價值，但是，這些發明的溫度采集電路采用的是模擬電路，因此溫度采集電路相對比較復雜，主要是由于溫度采集電路利用的是電橋電路造成的，同時沒有高精度的算法進行控制，使得在控溫過程中會出現溫度波動現象，造成激光器溫度變化，導致激光器輸出的波長、線寬和功率都將出現波動現象，為其后續的系統造成一定的影響。

【發明內容】

[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置及控制方法，通過溫度偏差作為選擇開關，分別采用不同的控制方法，溫度控制精度高。
[0005]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置，包括為整個裝置提供電源的電源模塊、單片機系統和激光二極管；所述單片機系統上連接有鍵盤控制、顯示模塊和溫度傳感器系統，所述單片機系統與TEC驅動電路一端，TEC驅動電路另一端連接TEC溫度控制芯片，TEC溫度控制芯片利用硅膠粘貼在導熱板的一面，導熱板的另一面用硅膠粘貼激光二極管，溫度傳感器系統中的傳感器緊密連接導熱板。
[0006]作為優選，所述導熱板為鋁板或紫銅。
[0007]作為優選，所述TEC驅動電路包括驅動芯片L298N、電源和若干二極管，所述驅動芯片的第1、8和15引腳接地，第4和9引腳連接電源，第5和7引腳連接單片機系統，第2引腳通過二極管Dl連接電源模塊，同時第2引腳通過二極管D2接地，第3引腳通過二極管D4連接電源模塊，同時第3引腳通過二極管D3接地，第2和3引腳分別連接到所述TEC溫度控制芯片的正極和負極。
[0008]作為優選，所述單片機系統還與報警系統連接。
[0009]—種上述的基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0010](I)開機自檢，從單片機系統中的數據處理單元的EEPROM存儲芯片中讀取上次關機時存儲的TEC溫度控制芯片的溫度，若上次關機時沒有存儲溫度則讀取開機時當前TEC溫度控制芯片的溫度，作為第一次系統輸出的溫度y，通過鍵盤進行溫度的設定，在鍵盤設置待控溫度X ;
[0011](2)溫度傳感器系統采集激光二極管的溫度信息后傳送給連接的單片機系統，作為系統的當前溫度y，計算偏差e(t) = x-y ；
[0012]若|e(t) |> ε，偏差閾值ε的大小選擇影響控制系統的穩定性和響應度，系統在啟動、結束或者大幅度設定時，會引起較大的偏差，造成積分積累，引起較大的超調量和震蕩，因此，此時采用積分分離H)控制算法，系統將會出現較快的響應，偏差e⑴經過單片機積分分離H)控制算法輸出PffM信號占空比，一方面TEC驅動電路放大PffM信號后驅動TEC溫度控制芯片工作，另一方面輸出的控制量作為溫度信號y反饋到單片機系統中；
[0013]若|e(t) I ( t，偏差e(t)經過單片機PID控制算法輸出PffM信號占空比，一方面TEC驅動電路放大PffM信號后驅動TEC溫度控制芯片工作，另一方面輸出的控制量作為溫度信號I反饋到單片機系統中；
[0014](3)重復步驟(2)，直到系統停止工作。
[0015]作為優選，所述步驟(2)中PID控制算法中的三個控制參數KP、K#P Kd在線整定，ec (t) = de (t) /dt為系統偏差變化率作模糊PID控制算法的輸入，通過模糊推理機制在線整定KP、KjP K D三個控制參數，其中K P為比例作用系數，K工為積分作用系數，K D為微分作用系數。通過模糊推理機制在線整定KP、KjP Kd三個控制參數這樣既可以減小人為設定過程中產生的調節誤差，又可以提高裝置的響應時間和控制精度，實現智能控制的要求。
[0016]在本發明中，所述溫度傳感器系統包括溫度傳感器DS18B20、電源和電阻，溫度傳感器DS18B20的第I引腳接地，第2引腳連接單片機系統，第3引腳連接電源，第2引腳通過電阻Rl連接第3引腳。所述顯示模塊為液晶顯示或LED顯示，單片機系統為普通單片機控制器、DSP控制器或ARM控制器中的一種。
[0017]在本發明中，偏差閾值的范圍為2 < ε <5，偏差閾值ε的大小選擇影響控制系統的穩定性和響應度，系統在啟動、結束或者大幅度設定時，會引起較大的偏差，造成積分積累，引起較大的超調量和震蕩，因此，此時采用積分分離H)控制算法，系統將會出現較快的響應。
[0018]本發明的通過數字電路實現半導體激光器的溫度控制功能，大大降低了溫度控制裝置的復雜性。由于半導體激光器對溫度變化非常敏感，因此，溫度控制精度要求比較嚴格，傳統的PID控制技術達不到高精度的控制要求，本發明提出了一種模糊控制和PID控制相結合的智能溫度控制方法，當溫度誤差較大時，采用積分分離H)控制，以便快速實現溫度的降低，當溫度誤差進入設定的偏差閾值內，采用模糊PID控制算法，以便降低系統的超調量和實現裝置的穩定控制。該方法具有響應速度快、超調量較小、穩定性高的優點。
[0019]有益效果:本發明的基于模糊控制的半導體激光器溫度控制裝置的控制方法，通過采用溫度偏差的絕對值與設定的標準的大小作為選擇開關，單片機系統分別采用不同的控制算法對半導體激光器進行溫度控制，控制精度高，而且效率大大提高，并且控制系統能夠實現數據通信、數據處理及系統控制等處理功能，自動化程度高，速度快測量效率高，誤差小，操作方便。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的系統連接框圖；
[0021]圖2為實施例中溫度傳感器系統示意圖；
[0022]圖3為實施例中TEC驅動電路示意圖；
[0023]圖4為實施例中模糊PID控制算法結構示意圖；
[0024]圖5為實施例1中獲得的控溫數據圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0026]實施例1
[0027]如圖1至圖4所示，包括電源模塊100、單片機系統10UTEC驅動電路102、TEC溫度控制芯片103、激光二極管104、導熱板105、溫度傳感器系統106、顯示模塊107、鍵盤控制108和報警模塊109。所述單片機系統上連接有TEC驅動電路102、溫度傳感器系統106、顯示模塊107、鍵盤控制108和報警模塊109，TEC驅動電路102 —端連接單片機系統101，另一端連接TEC溫度控制芯片103，TEC溫度控制芯片103利用硅膠粘貼在導熱板105的一面，導熱板105的另一面用硅膠粘貼激光二極管