激光打标设备冷却系统监测控制系统的原理及软硬件设计

1、引 言

激光是一种与普通光源截然不同的相干光源，由于具有高方向性、高单色性和高能量的特点，自20世纪60年代初出现以来，就备受关注。激光打标系统包括激光打标机、工作台和外部水冷系统3大部分。激光打标机由控制柜和激光打标头组成，并通过系统控制线相连；控制柜包括激光电源、RF、射频驱动器、控制计算机、显示器、主控制板和激光冷却系统。当今激光光刻系统市场，YAG激光打标机在激光标刻系统中占据着绝对统治地位，而YAG激光器都是以氪灯或氙灯来泵浦的。性能良好，工作稳定的激光冷却系统对于YAG激光器尤为重要。

2、系统结构原理

冷却系统中冷却的对象是氪灯，被安置在冷却腔体内，该器件价格昂贵，占设备成本的比例很高。不完善的冷却系统设计时常会使系统工作不稳定，系统时常出现冷却腔体温度过高，甚至出现爆灯现象。冷却系统的关键是使其在冷却液的循环流动下使其工作在稳定的范围内。系统原理框图如图1所示。

3、 硬件结构及工作原理

本系统包括的功能有流量，温度测量、数据采集与控制、显示等功能，结构如图2所示。

基于以上功能要求，我们优先选择Microchip公司的PIC系列单片机，该单片机具有价格低、速度快、功耗低体积小、抗干扰能力强等特点，并率先采用RISC（ReducedInstruction Set Computer）技术，低功耗、高速度CMOS闪速FIASH／E2PROM技术，现已成为嵌入式单片机（Embedded（Controller）的主流产品。PIC16F876 芯片内置A／D转换功能模块，28芯片管脚，256×8 B E2PROM数据存储器，可以使温度设置值方便地写入及读出，8 k×14 B可重复多次写入的闪速FLASH程序存储器，368×8 B数据存储器（RAM），14个中断源，自带片上RC振荡器的看门狗定时器WDT等。PIC16F877芯片所拥有的丰富的功能模块，可大大简化硬件电路和软件编程。

传感器部分中，温度传感器本设计选用的是单线数字温度传感器DS18820，DSl8B20是DALLAS公司生产的一种支持“一线总线”接口的温度传感器，其数字式传输大大提高了其抗干扰能力，简化了硬件电路，符合本文强电环境下工作的要求。DS18B20测量温度范围为－55～+125℃，在－10～+85℃范围内精度为±0．5℃。DS18820程序设定9～12位的分辨率，精度为±0．062 5℃，分辨率设定及温度上下限设定值存储在E2PROM中，掉电后依然存在。DS18820内部结构主要有7部分组成：寄生电源、64位光刻ROM、温度传感器、高速暂存器、存储控制逻辑、8位循环冗余检验码（CRC）发生器、非挥发的温度报警触发器TH和TL，分别配置寄存器，输出数据形式为二进制补码形式。由于输出为二进制补码，所以使用前需进行软件补码转换。

流量开关采用通用型直流通式流量开关F6FS-200系列产品。F6FS-200系列通用型直流通式流量开关提供重复性为1％的精确流量监测，有多种流量没置和管口尺寸，设定点外部可调。

4、监控系统软件设计

系统软件由主程序模块、功能实现模块及比较运算控制模块组成，流量超限中断服务程序模块。使用C语言编写微控制器PIC16F876的执行程序，系统主程序流程及流量超限中断服务程序如图3所示。

由于该控制系统工作在强、弱电混合环境之下，抗干扰设计必不可少，设计采用PIC16F876中的硬件WDT模块，一旦出现程序走飞，立刻复位，同时在设计中综合考虑使用软件冗余技术。进一步提升抗干扰能力，在实际试验过程中对控制系统加屏蔽措施，有效隔离电磁波对弱电系统的影响。

5、 结 语

本文介绍了基于PICl6F876的激光打标设备冷却系统监测控制系统的实现方法，本系统在电路设计上是完全独立的，不影响后级强电流电路的工作。能对冷却系统的温度做实时的监控，温度的设定与实时显示方便工作人员的操作与查看。基于PICl6F876的监测控制系统提升了激光打标设备的智能化水平，WDT技术的使用以及软件优化处理提高了该系统的抗干扰能力。实践证明，此控制系统工作性能，稳定性方面均符合现场工作要求，整机的可靠性、可维护性得到了提高，并已投入现场使用。

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