单片机原理下的双波长激光温度控制电路研究

第一章 绪论

1964 年国家接受钱学森的建议将 LASER 改译为“激光”。由于激光对后来人类生产生活产生了深远的影响，它与原子能、计算机、半导体并称为是二十世纪的四大发明。激光的理论基础是在 1916 年著名物理学家爱因斯坦发现的“受激辐射”理论：原子中的高能级上的电子受到某种光子的激发时，会从高能级跃迁到低能级上，并会辐射出与激发它的光子具有相同频率、相位、偏振态以及传播方向的光子，原有光子和辐射出的光子进行多次激发时，就会得到很多特征完全相同的光子，即光被放大，这种经过受激辐射过程和放大过程最终得到的光就是激光[1]。1958 年，贝尔实验室的汤斯（Towner）和肖洛（Schawlow）发表关于激光器的著名论文，这是这篇论文，开启了激光发展之路，叩开了激光时代的大门。
自 1960 年世界上第一台激光器-红宝石激光器后被美国人 Mainman 发明以后，激光凭借其固有的定向发光、亮度极高、颜色极纯和能量密度极大的属性被广泛应用于工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域。激光的发展不仅使得古老的光学学科获得了新生，而且促成了一门新兴产业-激光产业的出现，并形成了很多新的交叉学科。激光第一个被应用的领域是医学，1961 年，Campbell首先将红宝石激光器用用来治疗视网膜脱落；随后，Goldman 将其应用于皮肤科，进行皮肤美容，消除纹身和治疗皮肤黑色素瘤子[2]。
在其后的 50 多年里，激光技术得到了日新月异的发展，被广泛应用于医疗领域，并以其独特的优点解决了许多悬而未决的传统医学难题，激光医学学科也随之产生并不断成熟。自二十世纪九十年代以来，随着激光技术本身快速发展和其他新型科技的迅猛发展，激光器与电子计算机、光谱分析、数字图像处理、显微摄影摄像、X 光以及超声等新技术不断结合，使医用激光器朝着高性能、智能化、微型化和专科化方向发展，而激光器控制系统的稳定性、可靠性及智能化水平直接决定了激光诊断的准确性和激光治疗的疗效和安全性，因此，市场上对性能优异的激光器控制系统有着迫切的需求。本论文介绍了一种 660nm 和 808nm 双波长医用半导体激光器控制系统的设计方案，该方案是为了使双波长激光器能更加稳定、可靠、智能的工作从而在临床应用中治疗效果更好，并能对激光器起保护作用使其工作寿命更长。

1.1 激光医学概况
激光医学是专门用激光技术研究、诊断和治疗疾病的一门新兴的边缘医学学科。它是建立在现代医学基础上，采用当代最前沿的激光技术包含现代光学技术、电子技术和机械技术等与电子计算机技术等配合而产生的一门技术性很强的学科。涉及到的学科和技术主要包括辐射度学、光谱学、成像光学、信息光学、量子光学、分子光学、非线性光学、纤维光学、显微光学、光学传输和光学计量，倍频技术、调 Q 技术、锁模技术、光纤技术，内窥镜技术、超声技术、嵌入式技术和计算机技术等。它不但具备现代西方医学的特点也融合了祖国传统医学的精华，因此既具有强烈的现代科学技术的气息，又具有古老医学的特色。
1.1.1 激光的生物效应
激光和生物组织相互作用后所引起的激光本身或生物组织方面的任何变化，都称之为激光的生物效应。激光的生物效应可分为两类：激光在与生物组织发生作用后，激光的光学参量被生物组织调制，而发生可鉴别的改变，这就是激光诊断的依据；第二类是激光在与生物组织发生作用后，使得生物组织的机能和形态可发生有利于治病的改变，这就是激光治疗的基础。激光的生物效应可作用于生物体的不同层次，如对 DNA、线粒体、染色体、蛋白质中酶的活性、细胞核的影响；对蛋白质的合成，有丝分裂，某些细胞数量和特殊细胞的功能，甚至某些细菌生长等生命活动的影响。激光与生物组织相互作用是一个多因素共同决定的复杂过程。多因素具体包括激光的参数—波长、功率、作用时间等，生物组织的生物特性及其物理性质—密度、弹性、热导率、反射率、吸收率、、层次结构等，和生物体状态—色素、含水量、血流量等。具体来讲，激光作用于生物体，主要引起热效应、光化学效应、压强效应、电磁场效应和生物刺激效应五大类效应[3]。 热效应热效应是激光最重要的生物效应，临床上的激光治疗，其原理多基于热效应。激光直接照射生物组织时，激光的光子与生物分子相互作用，使得分子运动加剧，分子间的碰撞频率增加，由光转化而来的动能再转变成热能，这就是激光的热效应。
光致发热的机制有两种：一种是直接生热，一种是碰撞生热。由于红外激光的光子能量小，生物组织吸收了红外激光的光子后，只能增加生物分子的热运动而使自身的温度升高，这种生热没有中间过程，故称直接生热；而当光子能量较大的可见光和紫外激光照射生物组织时，会引起生物组织的电子态跃迁，在它从电子激光态回到基态的过程中，各能级间分别向下弛豫，依次释放量子能量，使其周围分子的热运动增强，组织的温度升高，这种生热被称为碰撞生热。激光的热效应有多种表现形式，像温热、凝固、碳化、汽化和切割等，不同的表现形式有不同的临床应用。在临床上，利用激光的热效应用来消炎、止痛、利于局部血液循环，改善神经系统功能，促进新陈代谢，杀菌，止血等。
 
   1.2 本课题的研究目的和意义 ..............16
    1.3 本论文的章节安排 ..............16-18
第二章 双波长激光器驱动及TEC 控制模块电路设计 ..............18-34
    2.1 激光器工作原理与技术方案 ..............18-25
    2.2 双波长激光器驱动电路设计 ..............25-27
        2.2.1 驱动电路设计 ..............25-26
        2.2.2 实测数据记录与分析 ..............26-27
    2.3 660nm 激光器温度控制电路设计 ..............27-32
        2.3.1 TEC 简介 ..............28-30
        2.3.2 TEC 控制电路设计 ..............30-32
        2.3.3 实测数据记录与分析 ..............32
    2.4 本章小结 ..............32-34
第三章 直流稳压电源设计 ..............34-42
    3.1 直流电源需求分析 ..............34-35
    3.2 9V 直流稳压电源设计 ..............35-37 
    3.3 5V 直流稳压电源是设计 ..............37-39
        3.3.1 器件选型与电路设计 ..............37-39
        3.3.2 实测数据记录与分析 ..............39
    3.4 3.3V 直流稳压电源设计 ..............39-41
        3.4.1 器件选型与电路设计 ..............39-40
        3.4.2 实测数据记录与分析 ..............40-41
    3.5 本章小结 ..............41-42
第四章 系统软件设计 ..............42-52
    4.1 需求分析与方案选择 ..............42
    4.2 RTOS 和ATmega64L 简介 ..............42-49
        4.2.1 RTOS 简介 ..............44-47
        4.2.2 ATmega64L 简介 ..............47-49
    4.3 FreeRTOS 的移植 ..............49
    4.4 软件系统开发 ..............49-52

总结

本方案包括 808nm 激光器驱动电路设计，660nm 激光器驱动电路设计及TEC 控制电路设计和系统必须的供电模块设计三部分。其中用 LT1006、TIP142和 MC1403 为主芯片设计了双路 808nm 和 660nm 激光器驱动电路；用 LTC2053和 LTC1923 为主芯片设计了 660nm 激光器 TEC 控制电路；供电模块设计包括12V 转9V，5V，3.3V 三部分内容，分别以 LM1085，OKY-T/5-D12，LM2679为主芯片设计实现。并且将 RTOS（Real Time Operating Systems）移植到单片机芯片 ATmega64L 中实现了对激光器的控制和通信，并通过智能控制数字电位器，时钟芯片，液晶显示芯片实现了对激光器的输出进行可靠、精确、敏捷、直观的控制，并且使得该系统具有经济性和易操作性。RTOS 移植到单片机中，真正实现了“在金属上运行”（An alternative to running ”on the metal”），既具有良好的科学前瞻性，有创新价值，又具有实际使用价值，便于激光器控制的系统更新。
本课题对 660/880nm 双波长激光器控制系统做了一定的研究和设计工作，并激光器控制系统设计有了认识和了解，熟知了基本的设计需求和设计思路，本人设计的方案经过经对单板反复调试验证知此方案基本实现了预想效果。但由于激光器固有的价格昂贵，对输出稳定性，输出功率和保护方面的要求较高，在温度控制方面要求响应时间短，精度高。