光纖激光器功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 以單片機(jī)MC9S12XDP512為控制核心，結(jié)合相關(guān)外圍電路完成了光纖激光器功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)字電位器DS1867的阻值，來(lái)改變開(kāi)關(guān)電源控制端的電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖激光器電源電流的控制。采用壓控開(kāi)關(guān)電流源PC0—6131，進(jìn)而改變光纖激光器的輸出功率。系統(tǒng)還可以檢測(cè)光纖激光器所在環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警、定時(shí)控制等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖激光器應(yīng)用在打標(biāo)工作過(guò)程中，獲得穩(wěn)定的功率輸出，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)功能，整機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)MC9S12XDP512；光纖激光器；功率控制；數(shù)字電位器

    隨著激光器在切割、焊接、表面處理等廣泛應(yīng)用。文中設(shè)計(jì)了應(yīng)用于激光打標(biāo)的功率控制系統(tǒng)，采用數(shù)字電位器方式使激光器的性能得到大幅提高，硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，不需要額外器件，成本低廉、功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)MC9S12XDP512、開(kāi)關(guān)電源PC0-6131、數(shù)字電位器DS1867、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LCD1602顯示器、鍵盤(pán)和報(bào)警裝置等組成。

    系統(tǒng)進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，光纖激光器輸出功率由單片機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，提供所需要的激光功率，功率設(shè)定時(shí)，由單片機(jī)MC9S12XDP512對(duì)數(shù)字電位器DS1867輸出電阻進(jìn)行控制，以改變開(kāi)關(guān)電源控制端的輸入電壓，使開(kāi)關(guān)電源的輸出電流改變，得到光纖激光器輸出功率所需要的驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)激光輸出功率的變化。同時(shí)利用數(shù)字溫度傳感器對(duì)光纖激光器工作環(huán)境溫度進(jìn)行采集，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)溫度超出規(guī)定的40℃時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制發(fā)光二級(jí)管進(jìn)行溫度報(bào)警，并利用LCD顯示裝置顯示信息，用戶(hù)可實(shí)時(shí)了解激光器的工作情況。
1．2 控制原理
    激光器為電流型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)電流是輸出光功率的前提，通過(guò)改變激光器電源電流的大小來(lái)改變激光器的輸出功率。系統(tǒng)控制激光器的輸出功率的基本方法是：由單片機(jī)控制數(shù)字電位器DS1867的輸出電阻，使開(kāi)關(guān)電源控制端的電壓改變，從而控制了開(kāi)關(guān)電源的輸出電流，改變光纖激光器功率的輸出。
    數(shù)字電位器DS1867的輸出電阻由式(1)計(jì)算
    R=D×RWL+RW       (1)
    其中，RW為滑臂電阻，即為內(nèi)部電位器電子開(kāi)關(guān)電阻，通常RW≤100 Ω，典型值為40 Ω；RWL為數(shù)字電位器DS1867內(nèi)部電子陣列中每個(gè)電阻單元的阻值；D為輸入的數(shù)字量。
    根據(jù)光纖激光器功率控制的要求，即用戶(hù)對(duì)光纖激光器的輸出功率性能的要求，設(shè)計(jì)出用戶(hù)要求的10等級(jí)功率輸出產(chǎn)品，不同的功率等級(jí)輸出對(duì)激光打標(biāo)的對(duì)象有不同的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要開(kāi)關(guān)電源輸出電流的變化范圍為0～12 A，功率對(duì)應(yīng)電流線性輸出，允許功率穩(wěn)定度有1％的誤差波動(dòng)。把光功率分成10個(gè)等級(jí)輸出，輸入數(shù)字量D的值如表1所示，可以通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)。要求光纖激光器輸出的功率如表2所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)的選擇
    單片機(jī)MC9S12xDP512是Freescale公司生產(chǎn)的一種16位器件，其包括大量的片上存儲(chǔ)器和外部I／O。由16位中央處理單元(CPU12X)、512 kB程序Flash、12 kB RAM、8 kB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。同時(shí)還包含兩個(gè)異步串行通信接口(SCI)、一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)、一個(gè)8通道輸入捕捉／輸出比較(IC／OC)定時(shí)模塊(TIM)、16通道12位A／D轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)。MC9S12XD512具有91個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I／O口，其中某些數(shù)字I／O口具有中斷和喚醒功能。該單片機(jī)功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)，能進(jìn)行多任務(wù)操作等特點(diǎn)。
2．2 開(kāi)關(guān)電源PGO-6131
    系統(tǒng)選用的開(kāi)關(guān)電源PCO-6131滿足光纖激光器的輸出功率要求，開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓為24±4 V，輸出電流的變化范圍0～125 A，輸出電壓20～28 V，控制端輸入電壓為0～5 V或0～10 V，工作環(huán)境溫度為0～40℃。開(kāi)關(guān)電源PCO-6131的輸出控制端口如圖2所示。

2．3 數(shù)字電位器
    系統(tǒng)選用的數(shù)字電位器為DS1867，電阻可調(diào)的范圍為0～10 kΩ，數(shù)字電位器DS1867包含兩個(gè)256等級(jí)的輸出電位器，通過(guò)串行方式進(jìn)行編程，占用I／O口數(shù)目少，內(nèi)含EEPROM，使系統(tǒng)掉電后還能保存用戶(hù)的上次設(shè)置。通過(guò)串行傳遞數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字電位器的輸出控制。
2．4 溫度傳感器
    系統(tǒng)選用美國(guó)Dallas公司推出的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，規(guī)定工作電壓3．0～5．5 V，溫度測(cè)量范圍-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)測(cè)量精度為±0．5℃。該傳感器為單線數(shù)字溫度傳感器，根據(jù)時(shí)序要求在單總線上發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)。傳感器輸出的溫度信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，在單總線上傳輸時(shí)抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，其外部硬件電路簡(jiǎn)單，只需在總線上加一個(gè)上拉電阻即可，有效地降低了硬件電路的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2．5 液晶顯示器
    系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊支持2行×16字符和5×7點(diǎn)陣兩種模式，顯示對(duì)比度和背光亮度均可調(diào)，由驅(qū)動(dòng)器和液晶顯示屏兩部分組成，單片機(jī)通過(guò)寫(xiě)控制字方式訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示屏的控制，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的程序?qū)⑺璧男畔@示出來(lái)，方便用戶(hù)觀察。
2．6 鍵盤(pán)
    鍵盤(pán)在時(shí)鐘控制下不斷地循環(huán)掃描，并根據(jù)掃描信號(hào)、對(duì)應(yīng)鍵盤(pán)的相應(yīng)信號(hào)來(lái)確定鍵盤(pán)按鍵位置，并通過(guò)矩陣鍵盤(pán)配合液晶顯示器進(jìn)行交互。
    光纖激光器功率控制硬件系統(tǒng)如圖3所示，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器的控制，其中單片機(jī)MC9S12XDP512的PB口與LCD的D0～D7相連接，PS0、PS1、PE0與LCD的RS、RW、E相連接，用以顯示激光輸出功率的等級(jí)和激光器工作環(huán)境的溫度。PA5與DS18b20的DQ相連接，PA0～PA2分別與DS1867的RST、CLK、DQ相連接，PA3、PA4連接了兩個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行溫度的報(bào)警與工作正常指示，二極管分別為紅色和綠色，PA6、PA7連接兩個(gè)獨(dú)立式按鍵進(jìn)行對(duì)激光器功率的控制，調(diào)節(jié)激光器輸出功率的等級(jí)，利用PE1作為外部中斷，以對(duì)工作環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

    其中，U1是數(shù)字電位器DS1867；U2是單片機(jī)MC9S12XDP512；U3是開(kāi)關(guān)電源PC0—6131；U4是溫度傳感器DS18B20。數(shù)字電位器DS1867的輸出端與開(kāi)關(guān)電源PCO-6131的控制端相連接，開(kāi)關(guān)電源的輸出端與光纖激光器連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    光纖激光器功率控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示，程序首先將對(duì)顯示器LCD和溫度傳感器DS18B20進(jìn)行初始化設(shè)置，然后利用中斷處理程序完成用戶(hù)對(duì)光纖激光器功率的控制。系統(tǒng)上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，使各個(gè)相關(guān)器件歸為初始狀態(tài)。激光器工作環(huán)境的溫度超過(guò)規(guī)定溫度值時(shí)，發(fā)光二級(jí)管進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行中斷處理，激光器將停止工作；如果激光器在正常溫度的環(huán)境下工作，則不進(jìn)行中斷處理，溫度傳感器將繼續(xù)檢測(cè)環(huán)境溫度，如此循環(huán)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過(guò)光纖激光器控制系統(tǒng)的硬件連接圖可知，用按鍵來(lái)選擇激光輸出功率的等級(jí)，共分為1～10等級(jí)，調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)為1級(jí)，通過(guò)加減按鍵來(lái)設(shè)定用戶(hù)需要的功率等級(jí)，單片機(jī)通過(guò)表1設(shè)置的電位器輸入數(shù)字量D來(lái)控制數(shù)字電位器的阻值，從而得到用戶(hù)所選擇的激光功率輸出值，由LCD顯示出激光器環(huán)境的溫度數(shù)值和功率等級(jí)。實(shí)際測(cè)量的激光器輸出功率和溫度值如表3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)單片機(jī)、鍵盤(pán)及顯示器組成的人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器電源電流的控制，從而改變光纖激光器的輸出功率，還實(shí)現(xiàn)了激光器所在環(huán)境溫度的顯示、高溫報(bào)警、定時(shí)控制的功能。文中設(shè)計(jì)了光纖激光器的功率控制系統(tǒng)，其相關(guān)的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法對(duì)其他儀器的設(shè)計(jì)和問(wèn)題的解決也有一定的參考價(jià)值。