毕业设计（论文）-基于串行总线下智能激光电源控制系统设计.doc

1基于串行总线下智能固体脉冲激光电源控制系统研究摘要激光由于具有单色性、相干性、方向性好以及能量密度高等特点，已经广泛地应用于国防、医疗和机械加工等各个领域。研究稳定性好、可靠性和智能化水平高的激光控制系统显得尤为重要，并且具有广阔的应用前景。论文详细介绍了固体脉冲激光电源系统的特点、组成，对固体脉冲激光电源的充电回路和调Q电路工作原理进行了深入分析，重点介绍了充电电路中PWM移相控制全桥变换器的基本工作原理及控制方式。课题选用单片机，采用模块化设计方案，设计了固体脉冲激光电源的控制系统，同时利用串口技术实现整个系统与单片机的串行连接，较好地实现了各器件间、器件与主机间以及多主机间的信息交换和相互通信，并给出了基于单片机控制的软件流程图。关键词:PWM移相调制串行总线调Q单片机Studyoftheintelligentsolidpulsedlaserpowersourcecontrolsystembasedonserialbus2AbstractBecauseofLasermonochrome，coherence，gooddirectionandhighenergydensity,Laserhasbeenwidelyappliedtodefense，medicalandmachining，etcfields.StudyingonlasercontrolsystemonLaserstability，reliabilityandintelligentisparticularlyimportantandhasabrightfuture.Thispaperintroducesthecharacteristicsofthesolidpulsedlaser，componentsandthechargingcircuitofthesolid-statepulsedpowerandtheprincipleofQ-switchedcircuittheory.Itisilluminatedmainlyonthebasicprincipleofthechargingfull-bridgephase-shiftcircuitPWMconverterandmethods.Itisdesignedacontrolsystemofintelligentsolid-statelaserpowersupplybasedonserialbus.ThesystemissuppliedbyPCI16F877singlechipmicrocomputer,howtousetheserialbustoconnecttheentiresystemandtheMCU，thecommunicationbetweenthehostsandthedevicesofhosts,intheend,itisgiventhedesignoftheprogramandtheprincipleaccordingtotheflowchart.Keywords:phase-shiftPWMmodulation；Serialbus；Q-switched；MCU3目录第一章绪论11.1前言11.2固体脉冲激光器电源系统的组成11.3单片机在激光电源中的应用31.4论文的研究内容3第二章固体脉冲激光器电源系统52.1激光电源系统的组成与各部分功能52.2充电主电路工作原理及过电流保护52.3脉冲泵浦灯的触发与氙灯预燃系统的设计102.4激光调Q电路的组成12第三章PIC单片机组成及其应用介绍163.1PIC引言163.2PIC16F877单片机的组成163.3PIC12C672单片机的组成18第四章串行总线下激光电源系统的单片机控制204.1控制系统的设计要求及单片机的选择204.2控制系统的硬件设计214.3系统控制软件设计32第五章结论与展望345.1结论335.2前景与展望33参考文献351第一章绪论1.1前言激光是一种光频电磁波，具有很高的频率(10131015HZ)和良好的相干性，可以用来作为理想的信息传递载体，自其问世以来在通信和图像文字的传输与处理中得到广泛的应用1。同时其又具有高亮度、良好的单色性和方向性等特点，使激光的应用已遍及工业、军事、医药和科学研究等诸多领域；尤其是自60年代迈曼(Mailman)发明世界上第一台红宝石固体脉冲激光器以来，人们就开始不断地探索可以改善固体激光器性能的可调谐激光介质和调谐技术，使得固体激光器得到了飞速的发展。随着计算机和微电子技术的提高，PWM脉宽调制技术的成熟、调Q技术和软开关技术的使用，能量大、峰值功率高、结构紧凑、使用方便的中小功率的固体激光器的应用范围将继续扩展，应用前景更加广阔2。中小型固体激光器的工作物质主要是掺杂的晶体或玻璃如:Cr3+:Al2O3，Nd3+:YAG和Ti3+:Al2O3等等，使用的激励大多是光泵激励，因而固体激光器常常是有工作物质、泵浦源、聚光腔、光学腔和光浦电源几部分组成，其中激光电源作为产生激光能量的电泵浦源，是激光器最重要的技术设备之一，是决定激光器整体性能的重要因素，有时甚至直接决定整个激光器的性能和质量指标。1.2固体脉冲激光器电源系统的组成在固体激光器的工作物质中，粒子数的反转一般都是通过电光泵的抽运来实现，因而在这些激光器中常采用由气体放电灯放电来形成高亮度辐射源。目前最常用的泵浦电源是电光源，它一方面向激光器提供泵浦能量，另一方面控制激光输出的强弱和重复频率。固体激光器泵浦电源常采用脉冲供电和连续供电两种形式，早期的脉冲激光电源大多采用工频交流变压器进行升压，并实现对电网的隔离，此种方式往往造成整机的体积极为庞大，变压器产生的高次谐波对电网的冲击也较为明显。进入上个世纪六、七年代，随着微电子技术和集成电路技术的飞速发展，大量新型电子器件如功率器件IGBT等的纷纷问世，推动电力电子技术的发展，使得PWM技术日趋成熟3。人们开始研制开关型电源，它是将工频交流直接变成直流，再用开关功率变换方法，将直流逆变成中频交流，通过中频变压器进行升压，与电网隔离后进行整流给储能电容充电，最后经氙灯放电后给激光器提供泵浦能量，与早期脉冲电源相比，开关型脉冲电源具有其无法比拟的优点:21.体积小，重量轻，伴随着开关逆变频率的提高，主变压器和电感的体积逐渐减小。2.高效节能，利用开关电源，能有效地调整电路的功率因数，大量减少能量转换过程中的损失。3.频率响应快，动态特性好。随着逆变频率的增高，开关电源对负载和供电变化的响应加快，控制更加精确、及时，激光束的质量得到提高。总之，通过开关电源技术的使用，可以提高整机的快速响应能力，激光输出的稳定性和使用的方便性。固体脉冲激光电源系统主要包括:电源变压和整流回路，储能电容的充电回路，储能电容对脉冲泵浦灯的放电回路，氙灯的触发和预燃回路，控制与调节回路等几个部分，其系统结构框图如图1-1所示4。图1-1固体脉冲激光器电源原理框图其电路原理是:电源系统利用开关技术对大型储能电容进行充电，储存电能，当触发回路给氙灯提供一个触发高压脉冲时，灯管内气体被击穿，氙灯进入低阻状态。储能电路中积累储存的电能通过氙灯进行脉冲放电，储能放电电路的适当设计使放电脉冲具有所希望的波形。通过采用预燃技术，使得氙灯触发后，预燃电路给氙灯提供一个预燃电流，使氙灯维持小电流导通状态。减小触发高电压对电路的影响，脉冲放电主要依赖放电回路中的放电开关进行控制。控制回路作为系统的核心器件控制上述各个回路的正常、协调工作，并提供各种安全、保护功能。固体脉冲激光器泵浦灯每次放电持续时间短，越几十微秒至几十毫秒，而其最大放电能量可达数千焦耳，放电脉冲功率甚至可达兆瓦。目前尚无法用一个平均功率与之相当的电源系统直接供电，必须采用一定的储能元件在不放电时从低平均功率的电源充电电路中得到、积累所需的电能，再由储能元件将能量传递至氙灯，必要时利用调Q电3路从而获得系统所需要的脉冲功率。总之，仅靠单一模块无法满足电源要求，必须使用多个模块分工协作方可实现。鉴于此控制电路的作用显得尤为突出，随着电子技术和计算机技术的发展，激光电源控制系统的自动化、智能化是其今后发展的主要方向。1.3单片机在激光电源中的应用目前产品中使用的激光电源主要采用高频开关技术，其特点主要表现为体积小、效率高、功率集成度高，采用全硬件控制，电路较为复杂，自动化程度低。同时电源系统需要对激光泵浦频率，电源的工作状态进行控制，因此要求系统应该具备存储、运算、接口功能。采用软、硬件相结合，智能化控制是激光电源的发展方向，单片机是现代电子技术应用中的主流技术之一。在许多工业和民用的电子控制系统中，单片机由于具有较强的运算和数据处理能力，能提供多路O/I接口和中断向量，便于实现实时监测和控制。同时单片机由于体积小、成本低易于设计成嵌入式控制系统，使其在系统中往往起着核心的作用。鉴于此，世界上各大芯片制造公司都推出了具有自主产权的各种类型的单片机，从8位、16位到32位应有尽有，其功能也都逐步趋于完善，同时其自身的独特设计也使单片机自身的电源技术和抗干扰技术趋于成熟，不仅使单片机自身的应用前景更加广阔，同时也使大量控制系统的智能化设计成为可能。作为其诸多应用之一就是利用单片机实现激光电源控制系统的智能化设计，该控制电路模块的原理框图如图1-2所示4。图1-2智能固体脉冲激光电源原理框图1.4论文的研究内容如前所述激光电源作为决定整个激光器系统核心器件之一，随着4微电子技术和计算机技术的发展，其控制逐步趋于自动化和智能化。但是就目前所广泛采用的控制方案中，电源系统的控制大多采用全硬件控制方式，电路比较复杂，自动化程度也较低，即使采用单片机进行控制也仅仅停留在对数据的处理、放电时间控制与显示这一层次上，并且都是采用彼此孤立控制这一控制方式，没有形成网络，形成系统。有的控制系统虽然采用了上、下位机双向通信进行控制，所采用的方案也大多是单片机与PC机之间的通信，即往往利用PC机作为上位机-主机，单片机为下位机从机。这种通信方式上下位机之间不仅要遵循一定的协议，同时控制方式也较为