0　引言　　

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)展。在軍事方面可用作激光引信、深海光通信等，半導(dǎo)體激光器是惟一能夠用于彈上引信的激光器；在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的惟一實(shí)用化光源；在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面進(jìn)行的激光手術(shù)治療、生命科學(xué)研究也都與半導(dǎo)體激光器密不可分。但是，半導(dǎo)體激光器的輸出功率隨溫度有很大的變化，顯然這不是人們所希望的。因此如何控制其工作溫度相當(dāng)重要。

　　該文介紹具有代表性的基于Fuzzy－PID參數(shù)自整定[2]的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。溫控系統(tǒng)本身為一個(gè)大滯后系統(tǒng)，純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，且半導(dǎo)體激光器的閾值電流對(duì)溫度變化相當(dāng)靈敏，因此對(duì)其溫度控制系統(tǒng)的要求較高。設(shè)計(jì)中采用的Fuzzy－PID復(fù)合控制方式極大的彌補(bǔ)了單純采用PID算法的不足，既具有模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)。對(duì)PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)整定進(jìn)一步完善了PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

1　溫控系統(tǒng)簡(jiǎn)述　　

　　筆者所設(shè)計(jì)的小型半導(dǎo)體激光器的實(shí)用恒溫控制系統(tǒng)由傳感器、AT89C51單片機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(可控恒流源[3]、半導(dǎo)體制冷器)及其他一些外圍電路如鍵盤、顯示及保護(hù)電路等構(gòu)成閉環(huán)控制回路。

　　控制部分采用自整定Fuzzy－PID的復(fù)合控制使單片機(jī)輸出PWM脈沖，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出到半導(dǎo)體激光器的電流量，實(shí)現(xiàn)小型半導(dǎo)體激光器的實(shí)用恒溫控制系統(tǒng)。上述提及的“參數(shù)自整定”是指系統(tǒng)中由于采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)就可以在沒有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整，從而以優(yōu)化方式改變PWM輸出波形的占空比，合理的控制恒流源的輸出，使小型激光器工作溫度保持恒定，從根本上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是設(shè)計(jì)該恒溫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2　硬件設(shè)計(jì)　　

　　系統(tǒng)各部分電路均采用常規(guī)器件，成本低，維修方便。

2.1　溫度傳感器　　

　　采用DALLAS單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為－55～＋125℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

　　DS18B20為3引腳芯片，如圖2所示。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

　　DS18B20的3腳接＋5V，1腳接地，2腳接系統(tǒng)中單片機(jī)89C51的一個(gè)I/O口，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，2腳和3腳之間接一個(gè)4.7K的上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。

　　DS18B20規(guī)定了自己的通訊協(xié)議，能夠?qū)⒉杉?到的溫度以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟：每讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60μs左右后發(fā)出60～240μs的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。

　　DS18B20雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證上述的讀寫時(shí)序，防止當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，由于某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線沒有返回信號(hào)，而使程序進(jìn)入死循環(huán)。

　　采用此種溫度傳感器在一般的要求下完夠達(dá)到要求，且因其硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用將愈加廣泛。

2.2　恒流源

　　采用“4NIC朝陽電源”。該電源具有輸入極性保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出電壓大范圍可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。通過PWM輸出的脈沖對(duì)其進(jìn)行控制完滿足半導(dǎo)體制冷器所要實(shí)現(xiàn)的恒溫控制要求。

2.3　半導(dǎo)體制冷器

　　這是一種熱電制冷器。根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，當(dāng)制冷器有電流流過時(shí)，在它的兩個(gè)面上將分別產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。并且電流流向相反時(shí)，吸熱面和放熱面也相反。因此只要控制流過制冷器電流的大小和方向，就能對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而控制激光器的工作溫度。特別適用于有限空間的制冷或加熱。

　　系統(tǒng)采用TEC1系列。該產(chǎn)品冷卻或加熱速度快，其冷卻或加熱速度可通過調(diào)節(jié)工作電流來控制，便于系統(tǒng)中通過Fuzzy－PID參數(shù)自整定實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)恒溫控制。

2.4　鍵盤及顯示的設(shè)計(jì)

　　鍵盤用作控制信息的輸入。系統(tǒng)采用4個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、功能轉(zhuǎn)換、設(shè)定溫度逐次加1、設(shè)定溫度逐次減1。系統(tǒng)中初始設(shè)定溫度為25℃，用戶可根據(jù)需要自行加減。

　　系統(tǒng)采用3位共陽極LED靜態(tài)顯示當(dāng)前溫度值。顯示數(shù)據(jù)只用一個(gè)I/O口，從而節(jié)省了單片機(jī)端口資源。

2.5　掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)　　

    掉電保護(hù)電路是為防止系統(tǒng)因?yàn)橐馔獾綦妼?dǎo)致丟失數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。集成電路7805為一個(gè)單一的＋5V穩(wěn)壓塊，和備用電源分別通過二極管接到單片機(jī)的電源端；當(dāng)穩(wěn)壓電源略高于＋5V時(shí)，備用電源不工作，同時(shí)555定時(shí)器接成單穩(wěn)形式；為防止干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作，應(yīng)用了光電耦合器TIL113。

3　軟件設(shè)計(jì)　　

　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成相對(duì)簡(jiǎn)單，但較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，下面較為詳細(xì)地分析軟件的設(shè)計(jì)。

3.1　數(shù)字PID控制

　　單片機(jī)控制是一種采樣控制，系統(tǒng)采用的增量式PID控制算法為：
　　
　　由于該控制算法不需要累加，控制增量Δu(k)僅與近的k次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是系統(tǒng)采用此增量式PID控制算法作為模糊PID控制器中PID調(diào)節(jié)器部分算法的主要理由。

3.2　模糊PID控制器

　　自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。

　　模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

　　模糊控制設(shè)計(jì)的是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)kp、ki、kd 3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制。

　　kp、ki、kd的模糊規(guī)則表建立以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3參數(shù)的自適應(yīng)校正，將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域。