基于MCS51單片機的LD自動功率控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、 畢 業(yè) 設 計（論 文）設計（論文）題目：基于mcs-51單片機的ld自動功率控制系統(tǒng)系 別： 電子工程系 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 完成時間： 目錄1 概述 3 1.1課題背景 3 1.2國內(nèi)外研究情況 3 1.3課題目的及意義 4 1.4主要性能及要求 4 2 半導體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理 5 2.1半導體激光器簡介 5 2.2半導體激光器結(jié)構(gòu) 5 2.3激光產(chǎn)生條件 6 2.4影響半導體激光器工作的因素 6 2.5半導體激光器的工作特性 9 3 硬件設計 11 3.1系統(tǒng)的組成 11 3.2控制元件簡介 11 3.3分電路模塊 14 4 軟件設計 16 4.1

2、編程語言的選擇 16 4.2程序框圖 18 5 電路調(diào)試與仿真 20 5.1硬件調(diào)試 20 5.2軟件調(diào)試 21 畢業(yè)設計總結(jié) 23 參考文獻 24 附錄一 25 附錄二 30 基于mcs-51單片機的ld自動功率控制系統(tǒng)摘 要：穩(wěn)定光源在光學測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出光功率可調(diào)、穩(wěn)定度高的光信號，穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的光學系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎設備在精密光電檢測領域中，微小的光源波動會引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差，因此本課題介紹的是一種單片機控制激光二極管輸出功率的方法，針對sanyo 30mw紅光ld設計了驅(qū)動電路。單片機內(nèi)對監(jiān)測電流

3、偏差進行了pid調(diào)節(jié)運行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。本課題設計的是穩(wěn)定半導體激光器的輸出功率，我們從自動控制理論出發(fā)，先闡述pid控制理論，接著再設計了數(shù)字設置輸出光功率、閉環(huán)pid自動調(diào)節(jié)的ld驅(qū)動電路，以此達到使半導體激光器功率穩(wěn)定的目的。關(guān)鍵詞ld驅(qū)動電路，單片機，功率穩(wěn)定可調(diào)激光二極管，pid調(diào)節(jié)。1 概述1.1課題背景在精密光電檢測領域中，微小的光源波動會使得被測量偏移，進而產(chǎn)生較大的測量誤差，所以對于光源穩(wěn)定性的要求就非常高了。而穩(wěn)定光源在光學測量中象電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，必須要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號，穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的光學系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基

4、礎設備。半導體激光器（ld）與其他激光器相比，不僅具有單色性高、高亮度、高方向性的特性，而且具有體積小、價格低、低功率、易于集成、便于工作、壽命長、波長可調(diào)、可快速調(diào)制等一系列優(yōu)點，尤其是多重量子井型的效率有2040%，p-n型也達到15%25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達50w（帶寬100ns）等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激發(fā)光源可說是最佳的選擇。1.2國內(nèi)外研究情況國內(nèi)一些學者對穩(wěn)定激光光源做了研究。有的設計使激光器注入電流穩(wěn)定，配合使用溫控電路，這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)

5、。有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)，由于積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨使用。這兩種方法共同特點是模擬調(diào)節(jié)。再者，2012年廣東工業(yè)大學機電工程學院的董全財提出了一種基于dsp技術(shù)和pid算法的自動控制方法,來控制半導體激光二極管的驅(qū)動電流以實現(xiàn)對其輸出功率。與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比,dsp技術(shù)與pid算法的應用能有效提高半導體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。而本課題是從自動控制理論出發(fā)，先闡述pid控制理論，接著再設計了數(shù)字設置輸出光功率、閉環(huán)pid自動調(diào)節(jié)的ld

6、驅(qū)動電路，以此達到使半導體激光器功率穩(wěn)定的目的。1.3課題目的及意義光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，在精密光電檢測領域中，這樣的偏移會產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解其它光電學參量，在這種情況下，由于薄膜增長的緩慢（0.1nm級/秒），反射比變化非常小，其對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達到0.1%，所以穩(wěn)定光源正是急待開發(fā)的一種重要測試儀器設備。為減少測量誤差，ld自動功率控制系統(tǒng)便成為一個重要的研究方向。與傳統(tǒng)的通過模擬調(diào)制的方法來實現(xiàn)激光二極管輸出功率控制的方法相比, pid算法的應用能有效提高半導體激光二極管輸出功率的控制精度和穩(wěn)定性。并且半

7、導體激光器（ld）由于其具有體積小、價格低、低功率、可快速調(diào)制、方向性好、光功率利用率高、工作電壓要求較低等一系列特點，越來越受到人們的重視，廣泛應用于半導體微電子領域、光電子技術(shù)領域、激光技術(shù)領域、信息技術(shù)領域等方面。1.4主要性能及要求功率穩(wěn)定可調(diào)的激光二極管（ld）在精密光電檢測和光纖通信系統(tǒng)中應用廣泛。本文針對sanyo 30mw紅光ld設計了驅(qū)動電路，其驅(qū)動電流在0100ma之間可調(diào)，最小可調(diào)量<0.01ma。單片機內(nèi)對監(jiān)測電流偏差進行了pid調(diào)節(jié)運行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定可調(diào)。2 半導體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1半導體激光器簡介半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)

8、而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年a.l.肖洛和c.h.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年t.h.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年a.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年r.n.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器被成功激發(fā)。在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。半導體激光器工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶（導

9、帶與價帶）之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。圖2.1 半導體激光器p-i的關(guān)系曲線圖半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（gaas）、硫化鎘（cds）、磷化銦(inp)、硫化鋅(zns)等等材料制成的半導體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器，一般用n型或p型半導體單晶（如gaas,inas,insb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵.高能電子束

10、激勵式半導體激光器，一般也是用n型或者p型半導體單晶(如pbs,cds,zho等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，目前性能較好，應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式gaas二極管激光器。2.2半導體激光器結(jié)構(gòu)半導體激光器的外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。 圖2.2 半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 2.3激光產(chǎn)生條件半導體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件： (1)增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導體中代表電子能

11、量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實現(xiàn)。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去。當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。(2)要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。(3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌

12、補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。2.4 影響半導體激光器工作的因素影響半導體激光器工作的因素有很多，但決定半導體激光器輸出的主要因素是半導體材料、溫度及閾值電流。2.4.1 半導體材料半導體激光器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關(guān)的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之

13、間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。2.4.2 半導體激光器的工作溫度半導體激光器對溫度很敏感，其輸出功率隨溫度變化而變化。圖2.3 半導體激光器輸出功率與溫度的關(guān)系曲線圖溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大。溫度對閾值電流的影響，可用下式描述：式中，i0表示室溫下的閾值電流，t表示溫度，t0稱為特征溫度（表示激光器對溫度的敏感程度）。一般ingaasp的激光器，t0 =5080k；a1gaas/gaa

14、s的激光器， t0 =100150k。二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。如gaas激光器，絕對溫度77k時，d約為50%；當絕對溫度升高到300k時, d只有約30%。2.4.3 閾值電流半導體激光器的輸出光功率通常用p-i曲線表示。當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用ith 表示。當注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個因素：   圖2.4 半導體激光器的光功率特性曲線圖（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。 （2）諧振腔的損耗

15、小，如增大反射率，閾值就低。 （3）與半導體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000a/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000a/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600a/cm2。現(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。 （4）溫度愈高，閾值越高。100k以上，閾值隨t的三次方增加。因此，半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。  圖2.5 半導體激光器閾值和溫度t的關(guān)系2.5半導體激光器的工作特性2.5.1 效率 （1）量子效率每秒發(fā)射的光子數(shù)每秒到達結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù) 77k時，gaas激光器量子

16、效率達7080；300k時，降到30左右。    （2）功率效率1輻射的光功率加在激光器上的電功率 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的1最高10，只有在低溫下才能達到3040。 2.5.2 方向性由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。 2.5.3光譜特性由于半導體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復合輻射發(fā)生在能帶（導帶與價帶）之間，所以激光線寬較寬，gaas激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。

17、 圖2.6 低于閾值時的熒光光譜 注入電流達到或大于閾值時的激光光譜 2.5.4伏安特性 半導體激光器的伏安特性與一般二極管相同，也具有單向?qū)щ娦裕鐖D所示。圖2.7 激光器的伏安特性曲線圖 激光器系正向運用，其電阻主要取決于晶體電阻和接觸電阻，雖然阻值不大，但因工作電流大，不能忽視它的影響。3 硬件設計3.1 系統(tǒng)的組成ld激光器的光功率控制是通過光電二極管檢測ld的背光光功率從而進行控制來實現(xiàn)的。光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量，經(jīng)高精度a/d轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機，與單片機內(nèi)監(jiān)測電壓參考值（在設定功率條件下，監(jiān)測電流差分放大成的電壓量的數(shù)字表示，也即是在電路參數(shù)不變的情

18、況下，一個確定的監(jiān)測電壓參考值對應一個確定的激光器輸出光功率設定值）之間作差，產(chǎn)生電壓的偏差信號，再對偏差信號進行pid運算，運算結(jié)果經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換及電壓電流（v-i）變換后，驅(qū)動ld發(fā)光。pid調(diào)節(jié)是為了使激光器輸出功率穩(wěn)定、精度準確。單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，如圖,3.1所示圖3.1 ld閉環(huán)控制驅(qū)動電路框圖3.2控制元件簡介3.2.1 at89c51硬件結(jié)構(gòu)及引腳at89c51系列單片機有4種型號：at89c51,at89c52,at89c1051,at89c2051,我這里所使用的是at89c51系列單片機，如圖3.2所示：圖3.2 單片機at89c51引腳圖 at89c51引腳圖除程序存

19、儲器由fperom取代了87c51的eprom外，其余部分完全相同。89c51的引腳與87c51的引腳完全兼容。管腳說明：（1）p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。（2）p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程

20、和校驗時，p1口作為第八位地址接收。（3）p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。（4）vcc：供電電壓（5）gnd：接地（6）p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口。 p3口管腳 備選功能p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器

21、寫選通）p3.5 t1（記時器1外部輸入）p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.3 /int1（外部中斷1）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.1 txd（串行輸出口）p3.0 rxd（串行輸入口）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。（7）xtal2：來自反向振蕩器的輸出。（8）xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。（9）/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。（10） /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。（11）rs

22、t：復位輸入。3.2.2 激光二極管參數(shù)與選擇常見激光二極管封裝有兩種形式：共陰極與共陽極型（圖3.3 a）。ld和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的pin光電二極管封裝在一起。 本課題，我們采用的655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（ld的正極與pd的負極連接在一起），其最大輸出光功率為30mw，閾值電流為40ma（250c），工作電流最大110ma， 光電二極管（pd）的監(jiān)測電流im與激光器的輸出功率p0在溫度不變的情況下成線性關(guān)系（圖3.3 b），這為后面控制電路的設計提供了依據(jù)。圖3.3封裝及監(jiān)測電流和輸出功率特性曲線3.3 分電路模塊3.3.1 模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器a/d轉(zhuǎn)換器選用美信

23、公司的max1062，d/a轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的ad5551，它們都是14位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉(zhuǎn)換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機的用戶口p1相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4.096v量程的電壓量化成2 14份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到a/d轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/12 14均可檢測到，即該驅(qū)動電路可以檢測到<0.01%的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調(diào)節(jié)。同樣設d/a轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)v-i變化后的滿量程電流為150ma，則驅(qū)動電流的最小可調(diào)節(jié)量為150/2 14

24、=0.01ma。3.3.2 電壓/電流轉(zhuǎn)換由于上述d/a轉(zhuǎn)換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應管組成的共源放大電路。其中運放對輸出有緩沖作用。圖3.4 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路上圖電路圖中v1為d/a的輸出電壓，場效應管的漏極-源極的電流（即ld的驅(qū)動電流）為： 由上述可見，驅(qū)動電流由v1及小電阻rs決定。在實際中取rs為30的高精度電阻，則由上式可得滿量程電流為150ma。由于ld正常工作時，其壓降為2v左右，所以這樣設計驅(qū)動電流最大值不會超過100ma，對ld可以起到保護作用。故驅(qū)動電流在0100ma之間可調(diào)。由上式可見，最大驅(qū)動電流可以通過調(diào)節(jié)rs的大小來得到，設計靈活性較大。 同時設計中在l

25、d兩端并接一個容值恰當?shù)碾娙莸降?，以抑制浪涌電流的影響?3.3.3 差分放大模塊監(jiān)測電流很小，尤其當激光器輸出功率<10mw時。如果把監(jiān)測電流通過電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導致a/d轉(zhuǎn)換器的輸入不準確。因此在設計中應該消除或減小環(huán)境溫度對a/d轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設計中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用ti公司的高輸入阻抗精密差分放大器ina114。此模塊如下圖所示圖3.5 監(jiān)測電流的差分放大原理圖其中，參考電流iref可由另一

26、ina114和opa602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：v0=(iref-im)×r×(1+50k/rg)此外，單片機系統(tǒng)擴展了8k外部ram，電路中單片機與計算機間通過rs232串行口進行通信，采用的rs232收發(fā)器為max3232。計算機通過串口可對ld的初始驅(qū)動電流、參考監(jiān)測電壓進行設置，還可以對pid數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進行設定，這樣可以方便快捷地整定出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。存儲器中存放一些設定參數(shù)以及暫存pid運算的中間結(jié)果4 軟件設計4.1 編程語言的選擇4.1.1 匯編語言匯編語言（assembly language）是面向機器的程序設計語言。在匯編

27、語言中，用助記符（memoni）代替機器指令的操作碼，用地址符號（symbol）或標號（label）代替指令或操作數(shù)的地址，如此就增強了程序的可讀性和編寫難度，象這樣符號化的程序設計語言就是匯編語言，因此亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，還要由匯編程序或者叫匯編語言編譯器轉(zhuǎn)換成機器指令。匯編程序?qū)⒎柣牟僮鞔a組裝成處理器可以識別的機器指令，這個組裝的過程稱為組合或者匯編。因此，有時候人們也把匯編語言稱為組合語言。匯編語言是一種低級的編程語言，用它編出的程序使用簡單方便，并且目標代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，可以滿足大部分用戶的需求。使用匯編語言必須對某種處理器非

28、常了解，而且只能針對特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進行優(yōu)化，要求編程者具有較高的專業(yè)水平。4.1.2 c語言（1） c語言是一種相對較簡單的編程語言，對編程者的要求不是太高，它即具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點。（2) c語言的特點c語言具有以下特點：語言簡潔，使用方便靈活?？梢浦残院谩語言的編譯程序便于移植，從而使在一種機器上使用的c語言程序，可以不加修改或稍加修改即可方便地移植到另一種機器上去。表達能力強。具有豐富地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和多種運算符，可以實現(xiàn)各種復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地運算。表達方式靈活?？梢赃M行結(jié)構(gòu)化程序設計?？梢灾苯硬僮饔嬎銠C硬件。生成的目標代碼質(zhì)量高。對于同一問題，用c語言編寫的

29、程序生成代碼的效率僅比用匯編語言編寫的程序低1020。所以對于pid算法、中值濾波程序以及主程序采用c語言編寫。（3) c語言程序的接口c51編譯器提供了與匯編語言程序的接口規(guī)則，按此規(guī)則可以很方便地實現(xiàn)c語言程序與匯編語言程序的相互調(diào)用。實際上c語言程序與匯編語言程序的相互調(diào)用可視為函數(shù)的調(diào)用，只不過此時函數(shù)采用不同語言編寫的而已。c語言程序函數(shù)和匯編語言函數(shù)在相互調(diào)用使，可利用8051單片機的工作寄存器最多傳遞3個參數(shù)，如圖4.1所示： 傳遞的參數(shù)char、1字節(jié)指針int、2字節(jié)指針long、float一般指針第一個參數(shù)r7 r6、r7r4r7r1,r2,r3第二個參數(shù) r5 r4、r5

30、 r4r7r1,r2,r3第三個參數(shù) r3 r2、r3 無r1,r2,r3圖4.1 參數(shù)傳遞的工作寄存器選擇如果在調(diào)用時參數(shù)無寄存器可用，或是采用了編譯控制指令“noregparms”，則參數(shù)的傳遞將發(fā)生在固定的存儲器區(qū)域，該存儲器區(qū)域稱為參數(shù)傳遞段，其地址空間取決于編譯時所選擇的存儲器模式。當c語言程序與匯編語言程序需要相互調(diào)用，并且參數(shù)的傳遞發(fā)生在參數(shù)傳遞段時，如果傳遞的參數(shù)是char、int、long和float類型的數(shù)據(jù)，則參數(shù)傳遞段的首地址將由“？functionname？byte”的公共符號（public）確定，傳遞的參數(shù)是bit類型的數(shù)據(jù)時，參數(shù)傳遞段的首地址由“？functio

31、nname？bit”的公共符號(public)確定。所以被傳遞的參數(shù)都被放在以首地址開始遞增的存儲器區(qū)域內(nèi)。函數(shù)的返回值被放在8051單片機的寄存器內(nèi)，如圖4.2所示：返回值類型 寄存器 說明 bit進位位c(unsigned)charr7(unsigned)intr6,r7高位在r6中，低位在r7中(unsigned)longr4r7高位在r4中，低位在r7中 floatr4r732位ieee格式，指數(shù)和符號位在r7中 一般指針r1,r2,r3r3放存儲器類型，高位在r2，低位在r1圖4.2 函數(shù)返回值所占用的工作寄存器c51編譯器提供了一個十分有用的編譯控制指令src，在編寫匯編語言程序函

32、數(shù)時可以先按需要用c語言編寫相應的函數(shù)，對該函數(shù)單獨采用編譯控制指令src進行編譯，編譯完成后將產(chǎn)生一個匯編語言源程序。然后再對這樣產(chǎn)生的匯編語言子程序作一些必要的調(diào)整和修改，即可很方便地完成匯編語言子程序地編寫，而編寫過程中各種段的安排全部由c51編譯器自動完成，從而大大提高匯編語言程序的編寫效率。綜上所述，c語言相比匯編語言有著更多的優(yōu)勢。因此，本課題采用了c語言作為設計的編程語言。4.2 程序框圖本程序首先對監(jiān)測電流、電壓值進行設置，然后再設置pid的調(diào)節(jié)參數(shù)，與采集到的實際檢測的電流電壓值進行pid判斷，如果設置的電流、電壓值在pid調(diào)節(jié)參數(shù)范圍內(nèi)的話那就穩(wěn)定輸出，如果不在范圍內(nèi)的話再

33、根據(jù)相關(guān)電路重新設置新的電流、電壓值。程序框圖見圖4.3（源程序見附錄一）開始設置初始監(jiān)測電流、電壓設置pid調(diào)節(jié)參數(shù)采集實際檢測的電流、電壓進行pid判斷穩(wěn)定輸出圖4.3 程序框圖5 電路調(diào)試與仿真系統(tǒng)調(diào)試包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可能發(fā)現(xiàn)硬件故障。硬件調(diào)試的任務是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括工藝性故障和設計性錯誤。5.1硬件調(diào)試單片機應用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件故障是在調(diào)試軟件時發(fā)現(xiàn)的，但通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。先要對硬件進行脫機調(diào)試，脫機調(diào)試是在樣機加電之前，先用萬用表等

34、工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖，仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號規(guī)格和安裝是否符合要求。5.1.1 protel 99se 軟件protel 99se是prokltechnology公司開發(fā)的基于windows環(huán)境下的電路板設計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學易用，仍然是大中院校電學專業(yè)必學課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設計工具。protel 99se 由兩大部分組成：電路原理圖設計（advanced schematic）和多層印刷電路板設計。在做設計的前期我們使用這款軟件來模擬繪制電路，這給我們前期的工作帶來了很大的便利，比如說做這個系統(tǒng)要用到的器件，電阻，電感，a

35、t89c51單片機，開關(guān)，電容，放大器等等元器件（詳見附錄二）都能一一的展現(xiàn)出來，而且也能糾正純電路時的接線錯誤。5.1.2 硬件調(diào)試工具proteus仿真proteus是由英國labcenter electronics 公司開發(fā)的eda工具軟件。它從1989年出現(xiàn)到現(xiàn)在已有十多年的歷史，在全球廣泛使用。proteus 安裝以后，主要由2個程序組成：ares 和isis。前者主要用于pcb自動或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進行相應的仿真。除了上述基本應用之外，proteus可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件代碼機的調(diào)試，還可以直接實時動態(tài)的模擬按鈕鍵

36、盤的輸入，led ，液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器，邏輯分析儀等進行相應的測量和觀測。仿真圖如下：圖5.1 proteus 軟件仿真電路圖仿真小結(jié)：在仿真的過程中我們也發(fā)現(xiàn)了些問題，大多數(shù)都是因為我們制圖中的疏忽以及對此款軟件不熟悉造成的。 總的來說，通過這次設計我基本熟悉了使用proteus仿真軟件的方法。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序后，編輯、查看程序是否有邏輯的錯誤。5.2.1 軟件調(diào)試工具keil軟件為了檢驗我們到底有沒有最終完成了這個作品，我們決定通過使用keil軟件來模擬一下，下面介紹一

37、下這個軟件。（1）keil軟件介紹keil軟件是目前最流行開發(fā)mcs-51系列單片機的軟件，keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部份組合在一起。運行keil軟件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20m以上空閑的硬盤空間、win98、nt、win2000、winxp等操作系統(tǒng)。（2）編譯步驟打開keil軟件（雙擊keil圖標），新建一個項目（projectnew project），保存項目（以lll.asm保存），選擇單片機（atmelat89c51確定否），調(diào)入c語言

38、程序（targetadd feiltext1.asm打開），編譯程序（projectoptoutput將create hex feil打勾確定projectbuild target）軟件截圖如下：圖5.2keil軟件截圖仿真小結(jié)：通過多次的仿真和調(diào)試已基本達到硬件的要求。畢業(yè)設計總結(jié) 大學三年就要結(jié)束了，在這三年里我由淺入深地學習了與電子相關(guān)的一些知識，開始慢慢的了解電子技術(shù)。最后的畢業(yè)設計是對我三年的所學做一個全面的考察，但從理論到實踐還是有不小難度的。這次的畢業(yè)設計相對于以前的課程設計，多了很多思考，由于有之前的課程設計的基礎，在畢業(yè)設計時不再那么不知所措，多少有點大致的方向。畢業(yè)設計不僅

39、是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計，使我明白了自己原來的知識比較欠缺，自己要學習的東西還很多。這次畢業(yè)設計，讓我明白了學習是一個不斷積累的過程，我以前所懂的都只是停留在表面，并讓我知道，在以后的工作和生活中都應該不斷的學習，努力的充實自己。 轉(zhuǎn)眼畢業(yè)設計也要接近尾聲了，實習時利用業(yè)余時間來完成對畢業(yè)設計的設計與修改，在指導老師的幫助下通過自己的努力完成了畢業(yè)設計。這期間的經(jīng)歷是難以忘懷的，有遇到問題時的糾結(jié)、煩惱，也有成功時的喜悅，我喜歡這種經(jīng)歷，畢竟它是我人生的轉(zhuǎn)折點（學生時代的終結(jié)，同時也是我將踏入社會，進入工作崗位，迎接挑戰(zhàn)的新開始）。在本次畢業(yè)設

40、計環(huán)節(jié)，感謝方*老師對本論文從選題、構(gòu)思、資料收集到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心的指導和幫助，使我對基于mcs-51單片機的ld自動功率控制系統(tǒng)有了深刻的認識，并最終得以完成畢業(yè)論文。雖然這個設計做的也不是很好，但是在設計的過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設計最大的收獲和財富，使我終身受益！對此，我表示我最衷心的感謝。在整個設計過程中我懂得了許多東西，樹立了自己工作能力的信心，而且大大提高了動手能力，我相信會對以后的學習和工作有非常重要的影響。 最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝！參 考 文 獻1 林曉翰,蘇國彬,劉建勝,等.半導體激光器的大電流窄脈

41、沖驅(qū)動電路的研究j.壓電與聲光,2009,22(6) 2 賈宏志，李育林，張倍琨。半導體激光器驅(qū)動電源的設計。應用激光，2013.181。3孫全意.激光近炸引信的體制、定距與識別技術(shù)的研究d.南京:南京理工大學,2012.53-61,77-81。4 潘永雄 新編單片機原理與應用 西安：西安電子科技大學出版社 2010。5 楊位欽，謝錫祺。自動控制理論基礎。北京理工大學出版社，2011.230。6 潘新華，王燕芳。單片微型計算機實用系統(tǒng)設計。人民郵電出版社，2012.302-319。7 孫德剛，唐海峰。脈沖式激光引信用連續(xù)可調(diào)ld驅(qū)動電路的研究（j）激光技術(shù)；2008年02期；107-109。8

42、 王效華，張詠梅。單片機原理與應用。北京交通大學出版社，2011.5。9 王煒 基于8031單片機的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 天津職業(yè)技術(shù)師范學院學報， 2012，10 張志良 單片機原理與控制技術(shù) 北京：機械工業(yè)出版社，2009。11 何立民 mcs-51 單片機應用系統(tǒng)設計 北京：北京航天航空大學出版社， 2013。12 沙占友等 單片機外圍電路設計 北京：電子工業(yè)出版社，2008。11（3）。13 武慶生 單片機及其應用 成都: 電子工業(yè)大學出版社 2009。14 孫番典，一種高精度可調(diào)節(jié)半導體激光管控制電路。大學物理實驗，2012，9（2）。15 劉偉，萬秋玉，遲立華。穩(wěn)定化激光二極管電源。哈

43、爾濱理工大學學報，2010(6),98。附錄一c語言源程序 #include "lddriver.h"#include <intrins.h>int xdata dout11;/int data viset=5267;/設置監(jiān)測電壓設定值，對應初始驅(qū)動電壓v0=3000的監(jiān)測電壓vout值/int data vmin=2400,vpid=0,v0=3000,vmax=4800,vpres,vprev=3000;/vmin最小電壓偏置量，2040對應ld閾值電流40ma/ /v0初始驅(qū)動電壓值,3000對應驅(qū)動電流50ma /調(diào)節(jié)結(jié)果是為使功率穩(wěn)定在初始狀態(tài)50m

44、a電流驅(qū)動條件下的光功率值 /vmax對應驅(qū)動電流80ma /調(diào)節(jié)過程中vbias+vpid為驅(qū)動電壓，應在vbias和vmax之間 / /int data viset=5267;/設置監(jiān)測電壓設定值，對應初始驅(qū)動電壓v0=5454的監(jiān)測電壓vout值/int data vmin=4363,vpid=0,v0=5454,vmax=8726,vpres,vprev=5454;/vmin最小電壓偏置量，4363對應ld閾值電流40ma /v0初始驅(qū)動電壓值,5454對應驅(qū)動電流50ma /調(diào)節(jié)結(jié)果是為使功率穩(wěn)定在初始狀態(tài)50ma電流驅(qū)動條件下的光功率值 /vmax對應驅(qū)動電流80ma /調(diào)節(jié)過程中vbias+vpid為驅(qū)動電壓，應在vbias和vmax之間int data viset=5