论文摘要：进入新世纪以来，随着我国市场经济的高速发展，我国的光电技术也得到了快速的发展。现阶段，激光器在我国的测量、国防以及医疗等众多领域中都得到了广泛的应用，同时这也对激光器的输出功率的波动范围以及输出波长的稳定程度提出了更高的要求。本文便分析了一类大功率的半导体激光器的精密Fuzzy+PI温控系统的设计工作，在半导体激光器中应用半导体制冷器进行精密温控的工作，不但振荡幅度更小，并且控制的精度也更高。而基于传统的PID控制器的基础上，提高模糊控制规则的数量，这样就能形成一个新的变积分系数的模糊PI控制器，要想提高其各项性能，就必须在线调整积分系数，同时也要改进常规模糊控制设备的控制规则。

关键词：激光二极管；半导体制冷器；精密温控系统

1 半导体激光器的精密温控系统的硬件设计
　　1.1 硬件保护
　　半导体制冷器是具备独立的限流电路的，所以当你进行任何操作时，输出电流都是在一定的范围内的。而当超过这个极限时，系统就会自动报警；另外为了保证温控出现故障时或是系统过热时半导体激光器的二极管仍然是处于安全状态的，系统还会采用过热保护电路。
　　1.2 软件保护
　　通常软件保护工作我们都采用一种新型的可编程芯片X25045，其是由电压监控系统、看门狗定时器以及EEPROM共同组成的，不但能够即时的监测系统的电压情况，同时也可以避免程序走飞，当系统遇到掉电的情况时，也能够即时复位，这样就不会因为电源干扰波动从而影响其正常的工作状态。
　　通常情况下，传感及传输部分、制冷及控制部分以及转换部分三部分组成了半导体制冷的温控系统，当其正常工作时，温度是会随着工作时间的不断增长而逐渐上升的，当温度出现变化时，测温传感器会将其转化为电阻变化，而在经过双绞线电流变送器时，会将其转变成为电流信号并传送到信号转换单元的位置处，一般情况下，信号转换单位包括A/D转换器和I/V电流电压转换器，输出的信号也就是代表温度的信号并传送到单片机位置处，PTT算法会对其进行相应的处理，通过扩展口信号也就起到了控制固态继电器的作用，这样不但保证了半导体激光器的温度是不变的，同时也起到了控制制冷器的作用。
　　在选择控制系统时建议采用89C52单片机系统，由于半导体激光器自身的温度特点，在对其进行控制的过程中，对A/D转换器的采用的速度要求并不是特别高，但是对其精度的要求却是十分高的，另外执行机构的频响也要很高，应选择双积分性的A/D转换器。由于薄膜铂电阻传感器具有精度高、体积小等优点，并且其也是通过半导体工艺制造而成的，因此温度传感器应选择此类传感器。其工作原理也同样为将温度的变化转化为电阻的变化。所以，电阻的变化转化为电压的过程的精度也就直接的影响了传感器测温工作的精度，再借助于电桥的方法将电阻的变化转化成为电压值的变化，为保证信号的传输和转换，应采用双绞线电流发送器进行操作，信号是以电流的形式进行传输和转换的，那么电压漂移以及接地噪声就不会对信号造成影响，信号的传输精度也就得到了充分的保证。
　　数据采样部分：利用恒流源是可以产生恒定电流的，当恒定的电流被加热到热敏电阻上时，这时A/D转换器就会将热敏电阻的两端电压采集到单片机内同时还会对其进行相应的处理，借助于拟和算法电压值就会被转化成相应的电阻值了，同时也就得到了相应的温度值了。
　　数据处理和驱动部分：首先应求出设定的温度值与实际得到温度值的差值，通过模糊PID这种计算方法能够得出相应的控制量，之后在经过D/A转换器就可以得到输出模拟电压了。PWM功率放大器会将这个模拟电压放大，同时驱动半导体制冷器也开始工作，这样就起到了控制激光二极管温度的作用了。而为了更好的控制半导体制冷器的驱动电流，控制MOSFET的H桥结构电路时应选择数字脉宽调制技术，利用D/A转换器的输出量来控制信号的占空比。

2 半导体激光器的精密温控系统的软件设计
　　2.1 模糊+PI控制算法
　　在我们进行温度控制时，由于被控制的对象具有非线性、不确定性以及有时变的特点，要想满足这类控制要求，仅仅使用常规的PID控制方法是不够的，仅适用模糊算法又很难保证温控的准确性。因此我们应采用两者相结合的方法，如果是将两者进行串联控制，切换的过程中就会出现高频毛刺，两种方法的控制参数就会很难确定，因此建议将两者并联控制，输出的控制量公式为U=UPID+UF，再依据系统参数的变化情况是可以随时调整PID的三个参数值的，不但保证温控的精度，也提高了系统对控制对象的适应性。
　　而要想对常规的PI控制器的积分参数进行模糊控制，就需要对其新增加一个模糊规则库，这样就形成了变积分参数的模糊PI控制器，它可以准确的分析系统误差值的变化情况，从而及时的调整积分常数以及常规的PI控制器，如果系统误差的变化过大，那么积分参数就会是零，模糊控制也就实现了对系统的控制工作。而如果系统误差的变化情况不大甚至是误差为正时，系统的积分系数也会随之增加，系统就会有模糊控制和PI控制共同控制，随着系统参数的不断变化，积分环节在整个系统中的权重也会被及时的调节，这样此系统就既具有PI精确输出的优点，也具有模糊推理的快速和高效的优点，系统响应十分迅速并且还有很强的鲁棒性。鉴于积分系数是会随时发生变化的，这样就防止了在PID控制和模糊控制切换的过程中出现毛刺的情况，提高了系统的整体性能。
　　2.2 软件流程图
　　在单片机C52的基础上，控制程序应该是用汇编语言所编写的，具体的软件控制流程为：系统开始工作后，先进行自检和初始化的操作，然后是温度设定和温度采样的过程，在温度采样的过程中，如果温度差是小于0.05摄氏度的，那么PI+Fuzzy算法程序就会充分输出控制量并重新进行温度采样的工作，直到温度差满足要求后，才会结束流程。

3 半导体激光器的精密温控系统的安装
　　在所设计的系统中，激光二极管的后面是应紧贴一块铝热沉的，其下方应安装一个温度传感器，而另一面则应紧贴一个半导体制冷器，其直径应为20mm，那么制冷器的一面就是紧贴一块大的散热片的，而另一面则是紧贴铝热沉的，散热片的对面为一个电压是5伏特的风扇，从而半导体制冷器所产生的热量就会通过风扇以及散热片散发出去。

4 结束语
　　在确定温控系统的控制精度是否符合要求时，我们一般选用间接测量的方法，也就是说要测量通有恒定电流的热敏电阻NTC上的电压降，之后应将电压的波动情况转化成为温度稳定度的变化情况，在实验的过程中，我们选用的半导体制冷器为珠海金电子制冷有限公司生产的12705型号半导体制冷器，其额定电流为5A，额定电压为12V，偏置电流为100ūA，尺寸为40mm×40mm×4mm，热敏电阻为常州精达电子公司所制造生产的MF51C-3950-103型负温度系数热敏电阻，其两端的电压值控制在0.02V，再将其转化为温度值后，其精度就可以控制在0.05摄氏度。

参考文献
　　[1]于复生.一种大功率半导体激光器恒温控制系统的设计[J].发表于  半导体光电，2004.
　　[2]蒋和伦.半导体激光器的精密温控系统的设计[J].发表于  重庆工商大学学报，2007.
　　[3]王云才.新型的半导体激光器保护电路[J].发表于  应用激光，2006.