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50000字论文范文基于单片机的双波长激光器温控电路的研究

论文类型:论文范文
论文字数:50000字
论点:激光,激光器,生物
论文概述:

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。

论文正文:

第一章引言

1964年,国家接受钱学森的建议,将激光翻译成“激光”。由于激光对人类生产和生活产生了深远的影响,它与原子能、计算机和半导体一起被称为20世纪的四大发明。激光的理论基础是著名物理学家爱因斯坦(Einstein)在1916年发现的“受激辐射”理论:当原子高能级的电子被某个光子激发时,它们会从高能级跃迁到低能级,发射出与激发它的光子具有相同频率、相位、偏振态和传播方向的光子。当原始光子和发射光子被多次激发时,将获得许多具有完全相同特性的光子,即光将被放大。通过受激辐射过程和放大过程最终获得的光是激光[1]。1958年,贝尔实验室的汤纳和肖劳发表了一篇著名的激光论文。本文开辟了激光发展的道路和激光时代的大门。
自从1960年美国美因曼发明了世界上第一台激光器红宝石激光器以来,激光器因其定向发光、极高亮度、极纯色和极高能量密度的固有特性,已广泛应用于工业、医疗、商业、科研、信息和军事领域。激光的发展不仅给古代光学学科带来了新的生机,也促进了一个新兴产业——激光产业的出现,并形成了许多新的交叉学科。激光的第一个应用领域是医学。1961年,坎贝尔首次使用红宝石激光治疗视网膜脱离。随后,高盛将其应用于皮肤美容、消除纹身和治疗皮肤黑色素瘤[2】。
在接下来的50年左右时间里,激光技术发展迅速,并已广泛应用于医疗领域。它以其独特的优势,解决了许多突出的传统医学问题。因此,激光医学学科也应运而生并日趋成熟。自20世纪90年代以来,随着激光技术本身和其他新技术的快速发展,激光与电子计算机、光谱分析、数字图像处理、显微照相、x光和超声波等新技术的不断结合,使得医用激光朝着高性能、智能化、小型化和专业化的方向发展。激光控制系统的稳定性、可靠性和智能化水平直接决定着激光诊断的准确性和激光治疗的有效性和安全性。因此,市场上迫切需要性能优异的激光控制系统。介绍了一种660纳米和808纳米双波长医用半导体激光控制系统的设计方案。该方案是为了使双波长激光器工作更加稳定、可靠、智能化,从而在临床应用中达到更好的治疗效果,保护激光器,延长其工作寿命。

1.1激光医学概述
激光医学是一门新兴的前沿医学学科,专门从事激光技术对疾病的研究、诊断和治疗。它是一门以现代医学为基础的高技术学科,采用最先进的激光技术,包括现代光学技术、电子技术、机械技术和计算机技术。涉及的学科和技术主要包括辐射测量、光谱学、成像光学、信息光学、量子光学、分子光学、非线性光学、光纤光学、显微光学、光传输和光学计量学、倍频技术、调Q技术、锁模技术、光纤技术、内窥镜技术、超声波技术、嵌入式技术和计算机技术。它不仅具有现代西医的特点,而且融合了中医的精髓。因此,它不仅具有强烈的现代科技气息,而且具有古代医学的特点。
1.1.1激光的生物效应
激光本身或生物组织因激光与生物组织相互作用而发生的任何变化都称为激光的生物效应。激光的生物效应可分为两种类型:激光与生物组织相互作用后,激光的光学参数被生物组织调制,发生可识别的变化,这是激光诊断的基础;第二种是激光与生物组织相互作用后,生物组织的功能和形状可以改变,有利于治疗,这是激光治疗的基础。激光的生物效应可以应用于不同水平的生物体,例如对脱氧核糖核酸、线粒体、染色体、蛋白质和细胞核中酶活性的影响。对蛋白质合成、有丝分裂、某些细胞数量和特殊细胞功能的影响,甚至对某些细菌的生长和其他生命活动的影响。激光与生物组织的相互作用是一个复杂的过程,由许多因素决定。多因素包括激光参数——波长、功率、作用时间等。生物组织的生物学特性及其物理特性——密度、弹性、热导率、反射率、吸收率、等级等。、以及生物状态——色素、含水量、血流量等。具体来说,激光作用于生物体,主要引起五种效应:热效应、光化学效应、压力效应、电磁场效应和生物刺激效应[3]。热效应是激光最重要的生物效应。在临床激光治疗中,其原理大多基于热效应。当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,使分子运动增强,分子间碰撞频率增加。从光转换的动能然后被转换成热能,这是激光的热效应。
光诱导生热有两种机制:一种是直接生热,另一种是碰撞生热。由于红外激光的光子能量小,生物组织吸收红外激光的光子后,只能增加生物分子的热运动,使其温度上升。这种发热没有中间过程,所以被称为直接发热。然而,当可见光和光子能量较大的紫外激光照射生物组织时,会引起生物组织的电子态跃迁。在从电子激光状态返回基态的过程中,每个能级分别向下弛豫,依次释放量子能量,增强其周围分子的热运动,提高组织的温度。这种发热称为碰撞发热。激光的热效应有许多表现形式,如升温、固化、碳化、汽化和切割等。不同的表现有不同的临床应用。临床上,激光的热效应用于消炎、止痛、促进局部血液循环、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本文件的章节安排在...................16-18
第二章双波长激光驱动器和TEC控制模块电路设计...................18-34
2.1激光器的工作原理和技术方案...................18-25[/溴/] 2.2双波长激光驱动器电路设计...................25-27 [/BR/] 2.2.1驱动电路设计...................25-26
2.2.2测量数据的记录和分析...................26-27[/溴/] 2.3 660纳米激光温控电路设计...................27-32 [/BR/] 2.3.1技术执委会简介...................28-30
2.3.2 TEC控制电路设计...................30-32 [/BR/] 2.3.3测量数据的记录和分析...................32 [/BR/] 2.4本章概述...................32-34
第三章DC稳定电源设计...................34-42 [/BR/] 3.1 DC供电需求分析...................34-35[/BR/]3.29伏DC稳定电源设计...................35-37[/BR/]3.35伏DC稳定电源设计用于...................37-39
3.3.1设备选择和电路设计...................37-39 [/BR/] 3.3.2测量数据记录和分析...................39[/BR/]3.4 3.3V DC稳定电源的设计...................39-41 [/BR/] 3.4.1设备选择和电路设计...................39-40 [/BR/] 3.4.2中测量数据的记录和分析...................40-41
3.5本章概述...................41-42
第四章系统软件设计...................42-52
4.1需求分析和方案选择...................42
4.2 RTOS和ATmega64L简介...................42-49
4 . 2 . 1 RTOS简介...................44-47
4 . 2 . 2 Atmega 64L简介...................47-49[/br/ ] 4.3自由RTOS的移植...................49
4.4软件系统开发...................49-52

摘要

该方案包括三个部分:系统所需的808纳米激光驱动电路设计、660纳米激光驱动电路设计、TEC控制电路设计和电源模块设计。以LT1006、TIP142和MC1403为主要芯片,设计了双向808nm和660nm激光驱动电路。以LTC2053和LTC1923为主要芯片,设计了660nm激光TEC控制电路。电源模块设计包括12V至9V、5V和3.3V,主要芯片分别为LM1085、OKY-T/5-D12和LM2679。此外,将RTOS(实时操作系统)移植到ATmega64L芯片中,实现激光器的控制和通信。通过数字电位器、时钟芯片和液晶显示芯片的智能控制,实现了对激光器输出的可靠、准确、灵活、直观的控制,系统经济、易于操作。RTOS被移植到单片机上,真正实现了“在金属上运行的另一种选择”。具有良好的科学预见性、创新价值和实际应用价值,便于激光控制系统更新。
本课题对660/880纳米双波长激光控制系统做了一些研究和设计工作,对激光控制系统设计有了很好的了解,熟悉了基本的设计要求和设计思路。经过单板反复调试和验证,本人设计的方案基本达到了预期效果。然而,由于激光器固有的高价格,它要求高输出稳定性、输出功率和保护、短响应时间和高温度控制精度。