毕业设计-LD自动功率控制系统

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毕业设计（论文）

设计（论文）题目：基于MCS-51单片机的

LD自动功率控制系统

系别：电子工程系

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指导教师：

完成时间：

目录

1 概述................................................................. - 3 - 1.1课题背景........................................................... - 3 - 1.2国内外研究情况..................................................... - 3 - 1.3课题目的及意义..................................................... - 4 -

1.4主要性能及要求..................................................... - 4 -

2 半导体激光器的结构与工作原理......................................... - 5 - 2.1半导体激光器简介................................................... - 5 - 2.2半导体激光器结构................................................... - 6 - 2.3激光产生条件....................................................... - 6 - 2.4影响半导体激光器工作的因素......................................... - 7 -

2.5半导体激光器的工作特性............................................. - 9 -

3 硬件设计............................................................ - 11 - 3.1系统的组成........................................................ - 11 - 3.2控制元件简介...................................................... - 12 -

3.3分电路模块........................................................ - 14 -

4 软件设计............................................................ - 16 - 4.1编程语言的选择.................................................... - 16 -

4.2程序框图.......................................................... - 19 -

5 电路调试与仿真...................................................... - 21 - 5.1硬件调试.......................................................... - 21 - 5.2软件调试.......................................................... - 22 - 毕业设计总结........................................................... - 24 - 参考文献............................................................... - 25 - 附录一................................................................. - 2

6 - 附录二................................................................. - 31 -

基于MCS-51单片机的LD自动功率控制系统

摘要：

稳定光源在光学测量中象电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，必须要求发出光功率可调、稳定度高的光信号，稳定光源正是急待开发的光学系统测试仪器中的一种重要的基础设备

在精密光电检测领域中，微小的光源波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差，因此本课题介绍的是一种单片机控制激光二极管输出功率的方法，针对SANYO 30mW红光LD设计了驱动电路。单片机内对监测电流偏差进行了PID调节运行，使激光二极管输出功率稳定。

本课题设计的是稳定半导体激光器的输出功率，我们从自动控制理论出发，先阐述PID控制理论，接着再设计了数字设置输出光功率、闭环PID自动调节的LD驱动电路，以此达到使半导体激光器功率稳定的目的。

[关键词]

LD驱动电路，单片机，功率稳定可调激光二极管，PID调节。

1 概述

1.1课题背景

在精密光电检测领域中，微小的光源波动会使得被测量偏移，进而产生较大的测量误差，所以对于光源稳定性的要求就非常高了。而稳定光源在光学测量中象电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，必须要求发出高稳定、光功率可调的光信号，稳定光源正是急待开发的光学系统测试仪器中的一种重要的基础设备。

半导体激光器（LD）与其他激光器相比，不仅具有单色性高、高亮度、高方向性的特性，而且具有体积小、价格低、低功率、易于集成、便于工作、寿命长、波长可调、可快速调制等一系列优点，尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到15%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激发光源可说是最佳的选择。

1.2国内外研究情况

国内一些学者对稳定激光光源做了研究。有的设计使激光器注入电流稳定，配合使用温控电路，这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对其它影响因素缺乏考虑，不是一种闭环控制系统。

有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不灵敏，且会使系统稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。这两种方法共同特点是模拟调节。

再者，2012年广东工业大学机电工程学院的董全财提出了一种基于DSP技术和PID算

法的自动控制方法,来控制半导体激光二极管的驱动电流以实现对其输出功率。与传统的通过模拟调制的方法来实现激光二极管输出功率控制的方法相比,DSP技术与PID算法的应用能有效提高半导体激光二极管输出功率的控制精度和稳定性。

而本课题是从自动控制理论出发，先阐述PID控制理论，接着再设计了数字设置输出光功率、闭环PID自动调节的LD驱动电路，以此达到使半导体激光器功率稳定的目的。

1.3课题目的及意义

光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，在精密光电检测领域中，这样的偏移会产生较大的测量误差。如在半导体薄膜特性检测中，常常需要检测薄膜反射比以求解其它光电学参量，在这种情况下，由于薄膜增长的缓慢（0.1nm级/秒），反射比变化非常小，其对于光源稳定性的要求非常高，达到0.1%，所以稳定光源正是急待开发的一种重要测试仪器设备。为减少测量误差，LD自动功率控制系统便成为一个重要的研究方向。

与传统的通过模拟调制的方法来实现激光二极管输出功率控制的方法相比, PID算法的应用能有效提高半导体激光二极管输出功率的控制精度和稳定性。并且半导体激光器（LD）由于其具有体积小、价格低、低功率、可快速调制、方向性好、光功率利用率高、工作电压要求较低等一系列特点，越来越受到人们的重视，广泛应用于半导体微电子领域、光电子技术领域、激光技术领域、信息技术领域等方面。

1.4主要性能及要求

功率稳定可调的激光二极管（LD）在精密光电检测和光纤通信系统中应用广泛。

本文针对SANYO 30mW红光LD设计了驱动电路，其驱动电流在0～100mA之间可调，最小可调量<0.01mA。单片机内对监测电流偏差进行了PID调节运行，使激光二极管输出功率稳定可调。

2 半导体激光器的结构与工作原理

2.1半导体激光器简介

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器被成功激发。在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

半导体激光器工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

图2.1 半导体激光器P-I的关系曲线图

半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）

做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

2.2半导体激光器结构

半导体激光器的外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

图2.2 半导体激光器结构示意图

2.3激光产生条件

半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：

(1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光

损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

2.4 影响半导体激光器工作的因素

影响半导体激光器工作的因素有很多，但决定半导体激光器输出的主要因素是半导体材料、温度及阈值电流。

2.4.1 半导体材料

半导体激光器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

2.4.2 半导体激光器的工作温度

半导体激光器对温度很敏感，其输出功率随温度变化而变化。

图2.3 半导体激光器输出功率与温度的关系曲线图

温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：

一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。温度对阈值电流的影响，可用下式描述：

式中，I0表示室温下的阈值电流，T 表示温度，T0称为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）。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随温度升高而减小。如GaAs 激光器，绝对温度77K 时，ηd 约为50%；当绝对温度升高到300K 时, ηd 只有约30%。

2.4.3 阈值电流

半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。

当注入p-n 结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n 结产生激光。影响阈值的几个因素：

/0T T th e

I I

图2.4 半导体激光器的光功率特性曲线图

（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光

器最好在低温和室温下工作。

图2.5 半导体激光器阈值和温度T的关系

2.5半导体激光器的工作特性

2.5.1 效率

（1）量子效率η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数

77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。

（2）功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率

由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

2.5.2 方向性

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。

2.5.3光谱特性

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。

图2.6 低于阈值时的荧光光谱注入电流达到或大于阈值时的激光光谱

2.5.4伏安特性

半导体激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，如图所示。

图2.7 激光器的伏安特性曲线图

激光器系正向运用，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。

3 硬件设计

3.1 系统的组成

LD激光器的光功率控制是通过光电二极管检测LD的背光光功率从而进行控制来实现的。

光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值（在设定功率条件下，监测电流差分放大成的电压量的数字表示，也即是在电路参数不变的情况下，一个确定的监测电压参考值对应一

个确定的激光器输出光功率设定值）之间作差，产生电压的偏差信号，再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压－电流（V-I）变换后，驱动LD发光。

PID调节是为了使激光器输出功率稳定、精度准确。

单片机闭环控制系统框图，如图,3.1所示

图3.1 LD闭环控制驱动电路框图

3.2控制元件简介

3.2.1 AT89C51硬件结构及引脚

AT89C51系列单片机有4种型号：AT89C51,AT89C52,AT89C1051,AT89C2051,我这里所使用的是AT89C51系列单片机，如图3.2所示：

图3.2 单片机AT89C51引脚图

AT89C51引脚图除程序存储器由FPEROM取代了87C51的EPROM外，其余部分完全相同。89C51的引脚与87C51的引脚完全兼容。管脚说明：

（1）P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（2）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

（3）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

（4）VCC：供电电压

（5）GND：接地

（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

P3口管脚备选功能

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.0 RXD（串行输入口）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

（7）XTAL2：来自反向振荡器的输出。

（8）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（9）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

（10）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机

器周期两次/PSEN有效。

（11）RST：复位输入。

3.2.2 激光二极管参数与选择

常见激光二极管封装有两种形式：共阴极与共阳极型（图3.3 a）。LD和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。

本课题，我们采用的655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD的负极连接在一起），其最大输出光功率为30mw，阈值电流为40mA（250C），工作电流最大

110mA，光电二极管（PD）的监测电流I

m 与激光器的输出功率P

在温度不变的情况下成线

性关系（图3.3 b），这为后面控制电路的设计提供了依据。

图3.3封装及监测电流和输出功率特性曲线

3.3 分电路模块

3.3.1 模/数及数/模转换器

A/D转换器选用美信公司的MAX1062，D/A转换器选用模拟器件公司的AD5551，它们都是14位的串行转换器，适合于对速度要求不是很高的场合。

转换器的片选信号、时钟线及数据线直接同单片机的用户口P1相连。转换器的位数决定了检测控制电路的分辨率。

14位转换器可把4.096V 量程的电压量化成2 14份，所以调整差分放大器的增益使其输出电压最大值达到A/D 转换器的满量程电压，则理论上对于光功率变化1/12 14均可检测到，即该驱动电路可以检测到<0.01%的激光器光功率变化，进而可在单片机中进行调节。

同样设D/A 转换器的输出电压经V-I 变化后的满量程电流为150mA ，则驱动电流的最小可调节量为150/2 14=0.01mA 。

3.3.2 电压/电流转换

由于上述D/A 转换器的输出无缓冲，故采用运放与场效应管组成的共源放大电路。其中运放对输出有缓冲作用。

图3.4 电压/电流转换电路

上图电路图中V1为D/A 的输出电压，场效应管的漏极-源极的电流（即LD 的驱动电流）为： )

5.1611(

1.11k

R V I s

DS

+

??=

由上述可见，驱动电流由V 1及小电阻Rs 决定。

在实际中取Rs 为30Ω的高精度电阻，则由上式可得满量程电流为150mA 。由于LD 正常工作时，其压降为2V 左右，所以这样设计驱动电流最大值不会超过100mA ，对LD 可以起到保护作用。故驱动电流在0～100mA 之间可调。由上式可见，最大驱动电流可以通过调节Rs 的大小来得到，设计灵活性较大。 同时设计中在LD 两端并接一个容值恰当的电容到地，以抑制浪涌电流的影响。

3.3.3 差分放大模块

监测电流很小，尤其当激光器输出功率<10mW时。如果把监测电流通过电阻接入放大器，则由于放大器的输入阻抗太小以及电阻的温漂问题，使放大器的输入电压受温度影响非常大，从而导致A/D转换器的输入不准确。

因此在设计中应该消除或减小环境温度对A/D转换器输入的影响。设计中使监测电流与参考电流通过一个由四个阻值及温度系数相等的高精度电阻组成的电桥电路，这样温度的影响会在相减中减小。

放大器采用TI公司的高输入阻抗精密差分放大器INA114。此模块如下图所示

图3.5 监测电流的差分放大原理图

其中，参考电流I

ref

可由另一INA114和OPA602得到。放大器的输出电压可由下式计算：

V 0=(I

ref

-I

m

)×R×(1+50k/R

g

)

此外，单片机系统扩展了8K外部RAM，电路中单片机与计算机间通过RS232串行口进行通信，采用的RS232收发器为MAX3232。计算机通过串口可对LD的初始驱动电流、参考监测电压进行设置，还可以对PID数字调节器的比例、积分、微分系数进行设定，这样可以方便快捷地整定出调节器的参数。存储器中存放一些设定参数以及暂存PID运算的中间结果

4 软件设计

4.1 编程语言的选择

4.1.1 汇编语言

汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符（Memoni）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址，如此就增强了程序的可读性和编写难度，象这样符号化的程序设计语言就是汇编语言，因此亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，还要由汇编程序或者叫汇编语言编译器转换成机器指令。汇编程序将符号化的操作代码组装成处理器可以识别的机器指令，这个组装的过程称为组合或者汇编。因此，有时候人们也把汇编语言称为组合语言。

汇编语言是一种低级的编程语言，用它编出的程序使用简单方便，并且目标代码简短，占用内存少，执行速度快，可以满足大部分用户的需求。

使用汇编语言必须对某种处理器非常了解，而且只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，要求编程者具有较高的专业水平。

4.1.2 C语言

（1） C语言是一种相对较简单的编程语言，对编程者的要求不是太高，它即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。

（2) C语言的特点

C语言具有以下特点：

①语言简洁，使用方便灵活。

②可移植性好。C语言的编译程序便于移植，从而使在一种机器上使用的C语言程序，可以不加修改或稍加修改即可方便地移植到另一种机器上去。

③表达能力强。具有丰富地数据结构类型和多种运算符，可以实现各种复杂数据结构地运算。

④表达方式灵活。

⑤可以进行结构化程序设计。

⑥可以直接操作计算机硬件。

⑦生成的目标代码质量高。对于同一问题，用C语言编写的程序生成代码的效率仅比

用汇编语言编写的程序低10％－20％。

所以对于PID算法、中值滤波程序以及主程序采用C语言编写。

（3) C语言程序的接口

C51编译器提供了与汇编语言程序的接口规则，按此规则可以很方便地实现C语言程序与汇编语言程序的相互调用。

实际上C语言程序与汇编语言程序的相互调用可视为函数的调用，只不过此时函数采用不同语言编写的而已。

C语言程序函数和汇编语言函数在相互调用使，可利用8051单片机的工作寄存器最多传递3个参数，如图4.1所示：

图4.1 参数传递的工作寄存器选择

如果在调用时参数无寄存器可用，或是采用了编译控制指令“NOREGPARMS”，则参数的传递将发生在固定的存储器区域，该存储器区域称为参数传递段，其地址空间取决于编译时所选择的存储器模式。

当C语言程序与汇编语言程序需要相互调用，并且参数的传递发生在参数传递段时，如果传递的参数是char、int、long和float类型的数据，则参数传递段的首地址将由“？functionname？BYTE”的公共符号（PUBLIC）确定，传递的参数是bit类型的数据时，参数传递段的首地址由“？functionname？BIT”的公共符号(PUBLIC)确定。所以被传递的参数都被放在以首地址开始递增的存储器区域内。

函数的返回值被放在8051单片机的寄存器内，如图4.2所示：

图4.2 函数返回值所占用的工作寄存器

C51编译器提供了一个十分有用的编译控制指令SRC，在编写汇编语言程序函数时可以先按需要用C语言编写相应的函数，对该函数单独采用编译控制指令SRC进行编译，编译完成后将产生一个汇编语言源程序。

然后再对这样产生的汇编语言子程序作一些必要的调整和修改，即可很方便地完成汇编语言子程序地编写，而编写过程中各种段的安排全部由C51编译器自动完成，从而大大提高汇编语言程序的编写效率。

综上所述，C语言相比汇编语言有着更多的优势。因此，本课题采用了C语言作为设计的编程语言。

4.2 程序框图

本程序首先对监测电流、电压值进行设置，然后再设置PID的调节参数，与采集到的实际检测的电流电压值进行PID判断，如果设置的电流、电压值在PID调节参数范围内的话那就稳定输出，如果不在范围内的话再根据相关电路重新设置新的电流、电压值。程序框图见图4.3（源程序见附录一）