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1、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 专 班 姓 学别： 电子工程系业：级：名：号：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
2、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 -26-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
3、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
4、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 2040%， 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
5、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
6、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（O.lnm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
7、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0100mA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
8、 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。I960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
9、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，
10、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lmm2。2.3激光产生条件半导体激光器是一种
11、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
12、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
13、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。50100/(mA)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
14、电流的影响，可用下式描述I I eT /T0th 0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，TO =5080K； AlGaAs/GaAs的激光器，TO =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，n d约为 50%；当绝对温度升高到300K时，n d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
15、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：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n二每秒发射的光子数/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n 1 =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n 1最高10%，只有在低温下才能达 到 30%40%
