引言

隨著技術的發展，半導體激光器在各個領域的應用日益擴展。在軍事方面可用作激光引信、深海光通信等，半導體激光器是惟一能夠用于彈上引信的激光器；在產業和技術方面半導體激光器是光纖通信系統的惟一實用化光源；在醫療和生命科學研究方面進行的激光手術治療、生命科學研究也都與半導體激光器密不可分。但是，半導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。因此如何精確控制其工作溫度相當重要。

該文介紹具有代表性的基于Fuzzy－PID參數自整定的半導體激光器恒溫控制系統的設計實現。溫控系統本身為一個大滯后系統，純滯后可引起系統不穩定，且半導體激光器的閾值電流對溫度變化相當靈敏，因此對其溫度控制系統的精度要求較高。設計中采用的Fuzzy－PID復合控制方式極大的彌補了單純采用PID算法的不足，既具有模糊控制魯棒性強、動態響應好、上升時間快、超調小的特點，又具有PID控制器的動態跟蹤品質和穩態精度。對PID參數的模糊自適應整定進一步完善了PID控制的自適應性能，在實際應用中取得了很好的效果。

1溫控系統簡述

筆者所設計的小型半導體激光器的實用恒溫控制系統由傳感器、AT89C51單片機、執行機構（可控恒流源、半導體制冷器）及其他一些外圍電路如鍵盤、顯示及保護電路等構成閉環控制回路。

控制部分采用自整定Fuzzy－PID的復合控制使單片機輸出PWM脈沖，進而控制執行機構輸出到半導體激光器的電流量，實現小型半導體激光器的實用恒溫控制系統。上述提及的“參數自整定”是指系統中由于采用了模糊自適應PID控制算法，系統就可以在沒有操作者干預的情況下根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的最佳調整，從而以優化方式改變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，從根本上實現自動控制，這也是設計該恒溫控制系統的關鍵所在。

2硬件設計

系統各部分電路均采用常規器件，成本低，維修方便。

2.1溫度傳感器

采用DALLAS最新單線數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為－55～＋125℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。

DS18B20為3引腳芯片，如圖2所示。DQ為數字信號輸入/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接地）。DS18B20內部結構主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。

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

DS18B20規定了自己的通訊協議，能夠將采集 到的溫度以數字量的形式存儲在內部存儲器中。根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500μs，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60μs左右后發出60～240μs的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。

DS18B20雖然具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點，但在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格保證上述的讀寫時序，防止當程序讀該DS18B20時，由于某個DS18B20接觸不好或斷線沒有返回信號，而使程序進入死循環。采用此種溫度傳感器在一般的精度要求下完全能夠達到要求，且因其硬件實現簡單，應用將愈加廣泛。

2.2恒流源

采用“4NIC朝陽電源”。該電源具有輸入極性保護、過流保護、過壓保護、過熱保護、輸出電壓大范圍可調等優點。通過PWM輸出的脈沖對其進行控制完全能滿足半導體制冷器所要實現的恒溫控制要求。
圖3恒流源電路

2.3半導體制冷器

這是一種熱電制冷器。根據熱電效應技術的特點，當制冷器有電流流過時，在它的兩個面上將分別產生吸熱和放熱現象。并且電流流向相反時，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，就能對激光器進行制冷或加熱，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。

系統采用TEC1系列。該產品冷卻或加熱速度快，其冷卻或加熱速度可通過調節工作電流來控制，便于系統中通過Fuzzy－PID參數自整定實現的自動恒溫控制。
圖4半導體制冷器

2.4鍵盤及顯示的設計

鍵盤用作控制信息的輸入。系統采用4個按鍵，分別實現系統復位、功能轉換、設定溫度逐次加1、設定溫度逐次減1。系統中初始設定溫度為25℃，用戶可根據需要自行加減。

系統采用3位共陽極LED靜態顯示當前溫度值。顯示數據只用一個I/O口，從而節省了單片機端口資源。

2.5掉電保護電路的設計

掉電保護電路是為防止系統因為意外掉電導致丟失數據而設計的。集成電路7805為一個單一的＋5V穩壓塊，和備用電源分別通過二極管接到單片機的電源端；當穩壓電源略高于＋5V時，備用電源不工作，同時555定時器接成單穩形式；為防止干擾產生誤動作，應用了光電耦合器TIL113。

3軟件設計

整個系統的硬件組成相對簡單，但較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，下面較為詳細地分析軟件的設計。

3.1數字PID控制

單片機控制是一種采樣控制，系統采用的增量式PID控制算法為：

由于該控制算法不需要累加，控制增量Δu（k）僅與最近的k次采樣有關，所以誤動作時影響小，而且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。這也是系統采用此增量式PID控制算法作為模糊PID控制器中PID調節器部分算法的主要理由。

3.2模糊PID控制器

自適應模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求。利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，便構成了自適應模糊PID控制器。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整。

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對kp、ki、kd 3個參數分別整定的模糊控制。

kp、ki、kd的模糊規則表建立以后根據如下方法進行3參數的自適應校正，將系統誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域。

其模糊子集為e，ec＝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。設e、ec和kp、ki、kd均服從正態分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理使在線運行過程中完成對PID參數的在線自校正。

由于C語言編制的函數便于進行模塊化的處理，且對于數據的運算相對簡單，更加有利于程序的移植及系統的擴展，所以在系統Fuzzy－PID控制算法部分采用C語言實現。系統將整個控制算法作為一個函數以備匯編語言調用。這里就涉及到一個匯編與C51混合編程的問題。系統中采用的是基于ASM51無參數化調用C51函數的原理來實現匯編與C51的混合編程。

所謂無參數化調用是指讓C51子函數不帶任何參數，就可以從根本上避開調用參數的傳遞和返回值的安排等繁瑣易出錯的問題，只需要簡單地在匯編語言開頭說明一下外部C51子函數（“EXTRNcode（〈C51模塊名稱〉）”）。至于C51函數中需要使用的外部參數值及其返回值，完全可以通過加入C51的〈absacc.h〉頭文件來解決。

引進該頭文件后，程序員就可對8051系列單片機的存儲器進行絕對地址的訪問。把對參數值和返回值的操作轉化為對存儲器絕對地址的操作，象純匯編操作一樣，不用定義C51函數與匯編接口的參數和返回值的配置，從而提高了調用效率。

對于〈absacc.h〉頭文件中的函數原型，可查找C51編譯器中的help文件，選擇合適的數據類型來定義需要用到的絕對地址空間。系統中Fuzzy－PID控制算法涉及到的數據均以DWORD類型定義。
圖5模擬自適應PID控制

3.3軟件設計流程簡述

整個程序主體部分采用匯編語言編寫，在控制算法部分調用了C語言編寫的函數。

軟件設定定時器T0為5s定時，在無鍵盤響應時每隔5 s響應一次，以用來獲得DS18B20溫度傳感器采集的數據；設定定時器T1為嵌套在T0中的定時中斷，初值由PID算法子程序提供，以用來輸出PWM波形控制執行機構的動作。

4結果分析

溫度為25℃時，采用Fuzzy－PID控制所得到的經數據處理后的溫度控制曲線；給出了Fuzzy－PID控制誤差曲線。該溫度控制系統具有很好的動態品質，上升時間快，超調較小，且在工作1 h內，即可將控溫精度控制在±0.1℃，經測定，半導體激光器的輸出光功率波動小于1.5‰，其可信度高。

5結論

筆者在半導體激光器的溫度控制系統中，設計并使用了這套精密恒溫控制系統。需要指出的是，系統可控制的溫度范圍僅受所采用的溫度傳感器及相應的執行機構功能的限制，而與控制部分算法無關。由此可知，系統的溫度控制范圍較大，用戶可根據需要自行改變預定的控制溫度值。到目前為止，系統已經作為一個經濟實用的產品投入生產。