光纤激光器功率控制系统的设计

摘要 以单片机MC9S12XDP512为控制核心，结合相关外围电路完成了光纤激光器功率控制系统的设计。通过单片机控制数字电位器DS1867的阻值，来改变开关电源控制端的电压，实现了对光纤激光器电源电流的控制。采用压控开关电流源PC0—6131，进而改变光纤激光器的输出功率。系统还可以检测光纤激光器所在环境温度，实现高温报警、定时控制等功能。试验结果表明，光纤激光器应用在打标工作过程中，获得稳定的功率输出，实现温度检测功能，整机系统稳定可靠。
关键词 单片机MC9S12XDP512；光纤激光器；功率控制；数字电位器

    随着激光器在切割、焊接、表面处理等广泛应用。文中设计了应用于激光打标的功率控制系统，采用数字电位器方式使激光器的性能得到大幅提高，硬件电路设计结构简单、系统响应速度快，不需要额外器件，成本低廉、功能齐全、实用性强。

1 系统总体设计
1．1 控制系统设计
    控制系统的基本原理框图如图1所示，主要由单片机MC9S12XDP512、开关电源PC0-6131、数字电位器DS1867、数字温度传感器DS18B20、LCD1602显示器、键盘和报警装置等组成。

    系统进行读写操作时，光纤激光器输出功率由单片机进行控制调节，提供所需要的激光功率，功率设定时，由单片机MC9S12XDP512对数字电位器DS1867输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而实现激光输出功率的变化。同时利用数字温度传感器对光纤激光器工作环境温度进行采集，利用单片机实现对温度数据的处理，当温度超出规定的40℃时，单片机会控制发光二级管进行温度报警，并利用LCD显示装置显示信息，用户可实时了解激光器的工作情况。
1．2 控制原理
    激光器为电流型驱动器件，驱动电流是输出光功率的前提，通过改变激光器电源电流的大小来改变激光器的输出功率。系统控制激光器的输出功率的基本方法是：由单片机控制数字电位器DS1867的输出电阻，使开关电源控制端的电压改变，从而控制了开关电源的输出电流，改变光纤激光器功率的输出。
    数字电位器DS1867的输出电阻由式(1)计算
    R=D×RWL+RW       (1)
    其中，RW为滑臂电阻，即为内部电位器电子开关电阻，通常RW≤100 Ω，典型值为40 Ω；RWL为数字电位器DS1867内部电子阵列中每个电阻单元的阻值；D为输入的数字量。
    根据光纤激光器功率控制的要求，即用户对光纤激光器的输出功率性能的要求，设计出用户要求的10等级功率输出产品，不同的功率等级输出对激光打标的对象有不同的要求。经实验得出，系统设计需要开关电源输出电流的变化范围为0～12 A，功率对应电流线性输出，允许功率稳定度有1％的误差波动。把光功率分成10个等级输出，输入数字量D的值如表1所示，可以通过查表实现。要求光纤激光器输出的功率如表2所示。

2 系统的硬件设计
2．1 单片机的选择
    单片机MC9S12xDP512是Freescale公司生产的一种16位器件，其包括大量的片上存储器和外部I／O。由16位中央处理单元(CPU12X)、512 kB程序Flash、12 kB RAM、8 kB数据Flash组成片内存储器。同时还包含两个异步串行通信接口(SCI)、一个串行外设接口(SPI)、一个8通道输入捕捉／输出比较(IC／OC)定时模块(TIM)、16通道12位A／D转换器(ADC)和一个8通道脉冲宽度调制模块(PWM)。MC9S12XD512具有91个独立的数字I／O口，其中某些数字I／O口具有中断和唤醒功能。该单片机功能强大、运算速度快、可扩展性强，能进行多任务操作等特点。
2．2 开关电源PGO-6131
    系统选用的开关电源PCO-6131满足光纤激光器的输出功率要求，开关电源的输入电压为24±4 V，输出电流的变化范围0～125 A，输出电压20～28 V，控制端输入电压为0～5 V或0～10 V，工作环境温度为0～40℃。开关电源PCO-6131的输出控制端口如图2所示。

2．3 数字电位器
    系统选用的数字电位器为DS1867，电阻可调的范围为0～10 kΩ，数字电位器DS1867包含两个256等级的输出电位器，通过串行方式进行编程，占用I／O口数目少，内含EEPROM，使系统掉电后还能保存用户的上次设置。通过串行传递数据包实现对数字电位器的输出控制。
2．4 温度传感器
    系统选用美国Dallas公司推出的DS18B20数字温度传感器，规定工作电压3．0～5．5 V，温度测量范围-55～125℃，在-10～85℃范围内测量精度为±0．5℃。该传感器为单线数字温度传感器，根据时序要求在单总线上发送控制命令和数据。传感器输出的温度信号是数字信号，在单总线上传输时抗干扰性强、可靠性高，其外部硬件电路简单，只需在总线上加一个上拉电阻即可，有效地降低了硬件电路的复杂程度，提高了系统的稳定性和可靠性。
2．5 液晶显示器
    系统采用LCD1602液晶显示模块支持2行×16字符和5×7点阵两种模式，显示对比度和背光亮度均可调，由驱动器和液晶显示屏两部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器，以实现对液晶显示屏的控制，单片机根据相应的程序将所需的信息显示出来，方便用户观察。
2．6 键盘
    键盘在时钟控制下不断地循环扫描，并根据扫描信号、对应键盘的相应信号来确定键盘按键位置，并通过矩阵键盘配合液晶显示器进行交互。
    光纤激光器功率控制硬件系统如图3所示，采用单片机实现对光纤激光器的控制，其中单片机MC9S12XDP512的PB口与LCD的D0～D7相连接，PS0、PS1、PE0与LCD的RS、RW、E相连接，用以显示激光输出功率的等级和激光器工作环境的温度。PA5与DS18b20的DQ相连接，PA0～PA2分别与DS1867的RST、CLK、DQ相连接，PA3、PA4连接了两个发光二极管进行温度的报警与工作正常指示，二极管分别为红色和绿色，PA6、PA7连接两个独立式按键进行对激光器功率的控制，调节激光器输出功率的等级，利用PE1作为外部中断，以对工作环境温度过高时进行报警提示。

    其中，U1是数字电位器DS1867；U2是单片机MC9S12XDP512；U3是开关电源PC0—6131；U4是温度传感器DS18B20。数字电位器DS1867的输出端与开关电源PCO-6131的控制端相连接，开关电源的输出端与光纤激光器连接。

3 系统软件设计
    光纤激光器功率控制系统的程序流程图如图4所示，程序首先将对显示器LCD和温度传感器DS18B20进行初始化设置，然后利用中断处理程序完成用户对光纤激光器功率的控制。系统上电后对系统进行复位操作，使各个相关器件归为初始状态。激光器工作环境的温度超过规定温度值时，发光二级管进行报警，并进行中断处理，激光器将停止工作；如果激光器在正常温度的环境下工作，则不进行中断处理，温度传感器将继续检测环境温度，如此循环。

4 实验结果
    通过光纤激光器控制系统的硬件连接图可知，用按键来选择激光输出功率的等级，共分为1～10等级，调节的步长为1级，通过加减按键来设定用户需要的功率等级，单片机通过表1设置的电位器输入数字量D来控制数字电位器的阻值，从而得到用户所选择的激光功率输出值，由LCD显示出激光器环境的温度数值和功率等级。实际测量的激光器输出功率和温度值如表3所示。

5 结束语
    通过单片机、键盘及显示器组成的人机交互接口实现对光纤激光器电源电流的控制，从而改变光纤激光器的输出功率，还实现了激光器所在环境温度的显示、高温报警、定时控制的功能。文中设计了光纤激光器的功率控制系统，其相关的设计应用方法对其他仪器的设计和问题的解决也有一定的参考价值。