半导体激光治疗仪的设计本科毕业设计.doc

本科毕业设计（论文）

半导体激光治疗仪的设计

燕 山 大 学

2015年6月

燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：电气工程学院 系级教学单位：生物医学工程
学
号

学生
姓名

专 业
班 级
生物医学工程2011
题
目
题目名称
半导体激光治疗仪的设计
题目性质
1.理工类：工程设计 （ √ ）；工程技术实验研究型（ ）；
理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）
2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）
题目类型
1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ）
题目来源
科研课题（ ） 生产实际（ √ ） 自选题目（ ）
主
要
内
容
半导体激光器具有体积小、波长范围广等特点，适合作为医疗仪器核心部件。毕业设计的任务就是设计一个基于808nm和980nm波长的半导体激光治疗仪。
基
本
要
求
1．学习半导体激光治疗仪的基本原理；2．了解808nm和980nm波长的半导体激光基本技术性能；3．设计一个以单片机为核心的半导体激光治疗仪；4，给出设计参数选择及软件原理说明。

论文要求：1．符合学校对论文的要求；2．原理描述清晰；3．给出设计细节说明；4．提供完整设计方案。
参
考
资
料
维普与万方数据库
周 次
第1～4周
第4～10周
第11～12周
第13～14周
第15～16周
应
完
成
的
内
容
下载有关资料，深刻理解医学原理，初步形成设计方案
硬件设计
软件设计
参数计算
合理性检验
设计核查
论文写作
完成论文
指导教师：洪文学
职称：教授 年 月 日
系级教学单位审批：
年 月 日

摘要
摘要
由于半导体激光器相对于传统的气体、固体激光器体积小，重量轻，价格低，使用寿命长，在低强度激光生物医疗中得到越来越广泛的应用，其中以半导体激光器进行鼻腔内照射治疗发展最为迅速。
本论文从硬件和软件两个方面进行研究与设计，实现了半导体激光治疗仪的输出功率与时间的控制。该仪器可由直流适配器和锂离子充电电池供电。采用UPD78F9234单片机作为智能控制芯片，控制治疗仪的工作状态；NCP551芯片为整个系统提供稳定的电压；LTC4054芯片提供锂离子电池充放电的管理；集成运算放大器芯片LM324DT组成电流驱动电路来控制激光器的光功率输出，为了保护激光器，由基本的RC电路提供软起动保护。通过对设计研发的半导体激光治疗仪进行系统的调试与测试，其结果基本满足设计要求，达到了预期的效果。
关键词: 半导体激光治疗仪 激光器驱动电路 直流供电电路 单片机控制

燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Compared with traditional gas and solid-state laser, semiconductor is of small size, low price, high efficiency and long working life laser and has been applied in low-intensity laser biomedical engineering widely. Especially its development on the application of the low-intensity laser irradiation in nasal cavity is at high speed.
This dissertation introduces the composition and working principle of the semiconductor laser therapeutic apparatus both in hardware and software. The power of the apparatus is supplied by the DC adapter and Li-ion rechargeable battery. UPD78F9234 MCU as intelligence control chip is used to control the working of the apparatus, the NCP551 chip is used to provide a stable voltage for the apparatus, the LTC4054 chip is used to provide Li-ion battery charge and discharge management, integrated op-amp chip LM324DT is used to constitute current drive circuit to control the power of the laser output, In order to protect the laser tube, slow-start soft protection is provided by the RC circuit. Finally, the semiconductor laser therapeutic apparatus has been tested and qualified.
Keywords：Semiconductor laser therapeutic apparatus Laser driver circuit DC power supply circuit MCU control

I

目 录

摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 半导体激光治疗仪的原理 3
1.3 研究半导体激光治疗仪的意义 3
1.4 半导体激光治疗仪的发展状况 4
第2章 半导体激光治疗仪的设计要求 6
2.1 半导体激光器的工作性质 6
2.2 半导体激光器的结构选择 7
2.2.1 半导体激光器的封装 7
2.2.2 半导体激光器的各项参数 8
2.3 硬件电路的设计要求 9
2.4 半导体激光器的驱动方式 10
2.5 本章小结 10
第3章 系统硬件电路的设计 11
3.1 总体方案的设计 11
3.2 智能控制系统的设计 11
3.3 电源管理系统的设计 13
3.3.1 LTC4054电池管理芯片的引脚介绍 14
3.3.2 电源电池管理芯片的工作原理 14
3.4 功率控制电路 16
3.5 稳压电路设计 18
3.6 驱动电路的设计 19
3.6.1 驱动电路的结构 19
3.6.2 软启动电路的设计 21
3.6.3 激光器驱动电路的设计 22
3.7操作系统的设计 23
3.7.1 按键电路设计 23
3.7.2 显示屏和蜂鸣器的驱动电路设计 24
3.8复位电路的设计 26
3.9本章小结 26
第4章 系统的软件设计 27
4.1系统软件开发工具 27
4.2系统主程序的设计过程 28
4.2.1 系统的初始化程序 29
4.2.2 单片机系统的复位 30
4.2.3 中断电路服务 31
4.2.4 激光功率控制程序 31
4.3 系统测试 31
4.4 本章小结 33
结论 34
参考文献 35
致谢 36

III
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
激光作为20世纪伟大的发明，已经和半导体、原子能、计算机成为最重要的技术。在20世纪六十年代，第一台激光器问世。激光与治疗就开始有了渊源[1]。在国外，俄罗斯开启了激光医疗的先列，首次将激光能量作为辅助治疗和保健的重要工具，欧美日紧随其后，将激光医疗作为保健、医学、抗衰老的重要开展项目。在国内，章平章教授首次引进国外激光治疗技术用于心脑血病的治愈。之后。岑列方教授发明了治疗鼻腔的半导体激光治疗仪，取代了血管内照射。该发明经国家食品监督管理局审批已获得专利。此外，清华的吴晓光博士也发明了治疗手腕桡动脉的半导体激光治疗仪，也已经投入生产[2]。
半导体激光治疗仪因其价格低廉、体积较小、携带方便，成为市场上人们追逐和各大中小医院争相引入的设备。尤其在我国，人口众多、地域辽阔、疾病种类庞杂，半导体激光治疗仪作为及时治疗仪器，呈现的市场巨大[1]。
激光与生物体相互作用的结果，既可能使激光参量发生改变，也可能
使生物组织发生形态或机能的改变，两者都是激光生物效应。因生物组织作用使激光参量发生改变的现象，为第一类激光生物效应；因激光作用使生物组织发生形态或机能改变的现象，为第二类激光生物效应。第一类激光生物效应是激光诊断的依据，第二类激光生物效应则是激光治疗疾病的基础。
激光作用于生物体产生的生物学效应，既与激光的参数如激光的波长、
功率、能量、振荡方式、模式、偏振及作用时间有关，也与作用的生物组织性质，包括物理性质、化学性质及生物学性质有关。
发生激光生物效应的过程称为激光生物作用，对于第二类激光生物效
应，在激光与生物组织相互作用时，通常要经过两个过程，才能最终导致生物组织发生形态或机能的改变。
机体的不同部位对激光吸收程度不同，相同部位对不同波长激光吸收程度也不同，所以不同波长的激光对机体的治疗程度千差万别。在医学上，由于强激光和弱激光的生物作用机理不同，所以在临床应用和基础研究时其目的和方法也不同。强激光和弱激光的定义为：激光照射生物组织后若直接造成了该生物组织的不可逆损伤，此受照表面处的激光称为强激光；若不直接造成生物组织的不可逆损伤，则称为弱激光，也称为低功率激光或低强度激光[3]。现如今，在临床上，单一波长的半导体激光治疗仪已经不能满足需求，设计出低成本，双波长，治疗范围大的半导体激光治疗仪已成为半导体激光研究的重中之重，具有辽远的市场前景。本论文主要介绍980nm和808nm激光组合成的半导体激光治疗仪的设计和研究。双波长的治疗仪相比较传统激光器和单波长激光器在治愈伤口上更快、更牢固、更平整，是一种未来可观治愈伤口的方法[4]。如下表1-1为各个公司对不同波长激光器的研制情况。
表1-1 国际半导体激光治疗仪研制状况 (nm)
波长
公司
波长
公司
630
英国Diomed公司
980
德国biolitec公司
690
德国Carlzeiss公司
以色列KaVo公司
810
英国SURGILAS公司
西班牙inter-medic
美国BIOLASE公司
以色列MSq公司
美国Lumenis公司
意大利Quanta system公司
德国biolitec
美国康奥公司
意大利lasering公司
美国SDSG公司
以色列Alma
意大利lasering公司
西班牙INTER-MEDIC
美国candela公司
德国Asclepion-meditec公司
1320
美国Relient公司
915
意大利Dlmedica公司
美国candela公司
美国Eleme Medical公司
1450
美国Reliant公司
940
韩国Eins Med公司
1470
德国biolitec公司
西班牙Dornier Medtech公司
西班牙Dornier Medtech
德国ARC公司
1540
意大利EML公司
意大利quanta system公司
美国Reliant公司
美国 BIOLASE公司
法国quantelmedical公司
1.2 半导体激光治疗仪的原理
当满足泵浦原和增益介质以及谐振腔三个条件时，激光才能产生。激光发射必须满足高能态粒子多余低能态粒子，之后再高能态的粒子再跃迁上低能态上。其中泵浦源起到激励的作用，它将低能态的粒子反转到高能态上。谐振腔使激射光子反馈到腔内增加，从而能使激光产生震荡[3]。
激光在临床医疗中有强弱之分(高强度激光和低强度激光)。当激光作用于生物组织时，会发生不同的反应，包括电磁效应、光化效应、机械效应、热效应和压强效应以及光刺激[5]。当高强度的激光作用于机体时，瞬时的高强度能量对病变组织起到治疗作用例如激光手术。而低强度激光因为能量低对机体造成的损害可逆且通过刺激组织达到治疗的目的。低强度激光常见于激光美容。
1.3 研究半导体激光治疗仪的意义
随着现代医疗的改革，传统的治疗方式已无法满足如今的治疗需求，每一个家庭和社会成员对仪器的个性化和职能化有了更高的要求。低强度激光的刺激可以改善机体的免疫、神经、组织等系统，使病态机体恢复健康。高强度激光通过照射机体，从根本上改变病变组织，达到治疗作用。不同强度的激光治疗作用不同，不同波长和类性的激光对机体的治疗也不同[4]。（不同波长的激光治疗范围见表1-2）所以对激光治疗研究很有实际价值。
激光技术未普及之前，常用到的激光照射治疗仪是He-Ne激光治疗仪。该治疗仪的光束质量高、功率输出稳定、各项参数标准。在治疗冠新病、脑种风、懂脉硬华症、心角疼等疾病中效果良好[6]。早在20世纪八十年代，前苏联的科学家首次运用该技术治疗血管闭塞症。到了1990年，我国的王鉄旦教授引进该技术，经过试验和研究，证明了该技术的安全性和有限性[7]。
He-Ne激光治疗仪虽有种种优点和其自身的特点。但是其庞大的体积、复杂的驱动以及较高的成本，同时在治疗机体时，能量的不可控制性，常常对组织造成不可逆的伤害，且携带和使用不方便，需要有非常专业的人员操作，所以这种仪器常常适用于大中型医院。
而现在的半导体激光治疗仪不仅体积小，可以随身携带，而且成本较低，输出稳定性高。随着现代半导体技术的发展，激光的聚集方向统一、单色性高且相干性较高，光束质量大大的提高[8]。现在半导体激光治疗仪因其操作简单，已被许多家庭接受，具有较开阔的市场。现在半导体技术已和多种技术结合，增加了治疗的显著性和安全性，既降低了患者的痛苦，也放置了血液的交叉感染，达到安全快速治疗疾病的目的。为我们投入到该治疗仪的研究提供了契机[9]。
表1-2 不同波长治疗范围表
波长/nm
功率
运行模式
应用
可
见
光
531
低
连续
常规眼底激光光凝术
631-671
低
连续
癌症的光动力学治疗
651
低
连续
各种急慢性鼻炎：穴位照射，活血化瘀，
抗炎消肿，杀菌止疼等

红

外

光
781-911
低
连续
牙齿、口腔急慢性炎症；血管照射；
针灸理疗等
811-981
高
连续
外科手术中气化，激光手术刀
811
中
微脉冲
经巩膜睫状体光凝神术；阀下光凝
801、810
中
脉冲
脱毛
981
中
脉冲
除皱
1451
中
脉冲
去除粉刺、痤疮等；除皱
1471
高
连续、脉冲
外科手术中的汽化，激光手术刀
1541-1551
中
脉冲
去除粉刺、痤疮等；除皱
1.4 半导体激光治疗仪的发展状况
半导体激光治疗仪虽然应用前景非常广阔，较传统激光治疗仪携带方便、治疗彻底、卫生健康等特点，但是现阶段仍然遇到很多问题。例如如单波长治疗仪治疗范围小，两台治疗仪同时使用成本较高；激光器的PN结脆弱，导致治疗仪的使用寿命短；半导体激光治疗仪治疗过程中，温度对其造成的负面影响；不稳定的外界条件对治疗仪的不利影响等等，都是消费者对半导体激光治疗仪望而却步的原因[10~12]。（如图1-1为半导体激光治疗仪实物图）

图1-1 半导体激光治疗仪实物图
对此，本次课题设计，通过前辈们的研究以及市场对新型半导体激光治疗仪的诉求展开了研究。通过调查研究、查阅资料以及老师辅导，针对上述未解决的问题，展开讨论设计。通过不断地学习，参考其他激光仪器的性能和设计，完善本次治疗仪的功能设计，使在解决相应问题的基础之上，让半导体激光治疗仪更加智能化。

3

第2章 半导体激光治疗仪的设计要求
第2章 半导体激光治疗仪的设计要求
2.1 半导体激光器的工作性质
半导体激光原器件是用一些半导体性质的材料做为工作基础而产生激光之后再振荡放大的器件，由于一种特定的激励形式，它在半导体的物质价带与导带之间，或者半导体性质的物质的能量带与杂物质(受主或施主)的能量级之间，完成不能平衡的载流粒子的数量反转，当大量的electron在粒子的数量为反转的状态下且与空的穴配合时，就有了受激流发射光子的现象。两个半导体性质的晶体面构成一对平行的反射面，受到刺激的光子就在这对镜面构成的谐振腔内来回不断传播而能量增强。当光增加的能量大于等于光消耗的能量时，便产生光辐射，发出激光。激光的发生必须满足粒子数的反转和达到一定的阈值。就这两点看来该研究的激光器和普通类型的没有大的差别。即，必须满足高能态粒子在数量上多于低能态粒子。粒子反转所造成的增益能填补有能介源的内部消耗和输出消耗，激光由此产生。半导体激光器和其他激光器也有不同之处，半导体激光器产生激光的电子存在同一能量状态下的不同能带之间的，而普通激光器的电子分布在不同能级的有源介质上的，粒子反转时，方式也不相同（半导体激光器的激励方式如表2-1所示）。
表2-1 半导体激光器激励方式
激励方式
控制方式
电注入式
半导体材料的光面结型二极管，靠着正向电压释放电流产生激励，在光面区域产生激光发射。
光泵式
常用p型和n型的半导体晶块做基础物质，用另外的激光器作为引导发出的激光作为光泵激励。
高能电子束激励式
P型和n型半导体晶片作为基础物质，通过从外部注入很高的能量，使电子书产生激励。
对于半导体激光器，电注入激励方式比其他两种简单，容易控制，激光器的电流情况和温度对激光输出功率的影响明显。1980年开始，人们运用先进的科研成果，研发了一批优秀的半导体技术，之后还发明了一种高端技术来控制粒子原子量的厚度，形成了高质量的量子阱和应变量子阱物理材料。因为新的材料，研究的LD的阈值电流明显下降，转化效率也逐渐增加，使用寿命也有了较大改观。
2.2 半导体激光器的结构选择
半导体激光器种类是多种多样的，波长不同、结构不同、性能参数不同、波长导入导出的机制不同，其功能也不尽相同。不同结构的半导体激光器控制方式如表2-2所示。
表2-2 不同结构的半导体激光器分类
半导体激
光器结构
控制情况
单异质结构
光控和注入电流控制差，且必须在低温下进行，实用性不好
双异质结构
组成两边反应区材料的缝隙很大，载流子能够限制，且能控制激光使其不会在共腔面逸散。光与电的转换效率好，目前市场上的半导体激光器常用的结构。
量子肼结构
活性厚度十米以下，电子波动依然进行，且活性介质的厚度越小，波长越短。载流子量子能介分布。阈值电流低。常用于可见光的半导体激光器
垂直公腔面射型激光
共腔面短，增益物质少，输出功率受到限制。常见的输出功率在1毫瓦左右。输出光束圆形对称，可以与光纤耦合，制成激光数组，可以考虑传输巨大的信息。
2.2.1 半导体激光器的封装
常见的激光二极管封装有两种形式共阳极与共阴极，它将激光二极管(LD)和监测激光器背向输出光功率的光电二极管(PD)封装在一起，这里采用封装形式为共阴极的激光二极管如图2-1。
激光二极管的作用是根据注入电流而产生激光，光电二极管是监测激光器发出的功率而产生相应的监测电流，为激光二极管的驱动和功率控制提供一个反馈条件。

图2-1 半导体激光器的内部构造
2.2.2 半导体激光器的各项参数
本章节主要对半导体激光器的特性进行研究，各项参数对输出功率的影响，下面主要介绍半导体激光器的各项参数。
表2-3 半导体激光器的参数
特性参数

阈值电流
激光管开始产生的震荡电流
工作电流
激光管达到输出功率时，经过的电流
监控电流
激光光达到额定输出功率时的驱动电流
电压—电流特性
通过图看出结特性的好坏
功率—电流特性
半导体激光器的选择依据
热特性
控制稳定，使半导体激光器在合适的温度下工作
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，当输入电流小于Ith，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，如图2-2。PD的监测电流与激光器的输出功率在温度，在温度不变的情况下成线性关系，这为半导体激光器驱动系统设计提供了理论依据。
在各项参数中，着重提出的是P-I特性曲线，由图2-2所示，输出功率随着电流的增大而增大，电流增大的同时，温度也逐渐升高。温度升高，阈值电流增大，对输出功率的影响较大，再设计过程中，对温度的控制尤为重
要。

图2-2 半导体激光器P-I特性曲线
2.3 硬件电路的设计要求
半导体激光器自身也有许多固有的缺陷，在设计过程中，应合理的设计电路，以弥补半导体激光器的缺陷。
1.激光二极管必须依靠恒流源来驱动电路。因为它是在直接注入载流子的条件下工作的。恒流源因其稳定度高，使输出稳定。
2.半导体激光器中PN结靠正向低压工作，稍强的电压电流都会使激光器受损。在设计电路中，应该加个软启动电路，使电压电流缓慢加在半导体激光器激光器两端。
3.电流越大，输出功率越大，温度越高。致使半导体激光器PN结的阈值电流增大，对输出功率有影响，反过来对半导体激光器有损坏。在设计过程中应加个反馈电路，减小温度对输出功率的影响。
系统输入的脉冲信号，短脉宽，低占空比，电路设计可以不用考虑冷却装置。本次设计也是用到单片机来调节脉冲信号的占空比来减小温度的影响。以前多用制冷器或者反馈电路来达到降温，此处用占空比减小温度可以节省材料，对装置便利性提高很大。
2.4 半导体激光器的驱动方式
激光器的类型不同，应用场合不同，驱动方式也不同，操作也不同，下面是几种常见的驱动方式。
表2-4 半导体激光器驱动方式
驱动方式
驱动原理
恒流驱动
应用信号的负反馈作用，来调节驱动电流，常会使电流稳定流入，输出功率也很稳定。
恒功驱动
驱动电流增大，输出功率增大，驱动电流减小，输出功率减小。用PD光电二极管监视驱动电流，来使输出功率稳定。
脉冲驱动
半导体激光器常用的驱动方式，多用于信息调制
本次设计，应用了上述的恒功驱动，通过单片机调节脉冲占空比，减少了温度的影响。使电路简化了一步。

图2-3 恒流驱动电路原理框图
2.5 本章小结
本章分析了半导体激光器的结构与选型，介绍了半导体激光器的内部构造。通过了解激光器的各项参数进而清楚了半导体半导体激光器的工作原理。根据半导体激光器内部的特点，规定了设计电路的要求，同时也选择了电路的驱动方式。
7

第3章 系统硬件电路的设计
第3章 系统硬件电路的设计
3.1 总体方案的设计
本论文讨论的是高强度双波长半导体激光治疗仪的研制：808nm激光和980nm激光。两者的连续输出功率达到零到三十瓦，脉冲的输出功率达到零到一百瓦，脉宽和脉冲连续可调的范围是十毫秒到十秒。半导体激光治疗仪因其便携，安全，机型小，操作简单，寿命长而被广大市场接受。本次设计也应根据半导体激光器的特性，设计出合理的电路。由半导体激光治疗仪的工作原理及半导体激光器的特性可知，整机由智能控制系统即单片机系统，电源控制系统，功率控制系统和激光器等组成，其框架图如图3-1所示。

图3-1 半导体激光治疗仪硬件电路原理图
3.2 智能控制系统的设计
智能控制电路是整个系统的核心部分，单片机是该模块中技术较进步的部件，他有其独特的特征，在自动控制领域中运用较广泛，列如工业制造、仪器智能化、家用电器等各种方面。单片机的小体积、高性能、低价格等各种突出特点随着技术的进步逐渐在应用领域不断发展。除了上述领域外，单片机也在进军高档电子玩具领域，总之，随着技术的不断进步，单片机的时代已经到来。

39

本次设计运用8位的单片机。因为系统需要对电压控制检测，该电压一般是模拟量，需要变成数值量。所以本次设计中的需要有个上述量的转化器。
本次课题研究的是双波长半导体激光治疗仪的设计,双波长的该仪器常常用到型号为AT系列的单片机控制，可以采用AT89S51单片机控制，运用人机对话装置来连续调节输出功率和工作时间。
AT89S51单片机是由ATMEL公司研制的8位单片机，且性能高、功耗低，内部构件密度高、存储技术非易失性高。它既有MCS-51单片机基本指令，同时也含有80C51的引脚结构和8位中央处理器，兼具的ISP Flash存储单元也增加了它的相关功能。它的引脚如图3-2所示，其中，P1.0-P1.2接口可以连数码显示管，用于指示工作状态；P1.3-P1.6可以连接键盘来作为输入装置；P2.4-P2.6连模数转换器来控制激光器的输出功率。其内部资源如表3-1所示。
表3-1 AT89S51单片机内部资源表
引脚40个
中断嵌套中断2层
片内程序存储器 4k Bytes Flash
可编程定时计数器 16位的2个
RAM 128bytes
全双公串行通信口2个
外部双向输入/输出口 32个
看门狗电路
中断优先级5个
片内时钟振荡器

图3-2 AT89S51引脚图
3.3 电源管理系统的设计
本次设计的系统内部常安置锂电池用于供电，外部长接直流适配器提供电能。针对锂电池，必须选择适当的电源管理芯片，用于管理电池的充放电。可以采用型号为3.7/1800mAh的锂电池，电压充电限制在4.2V。当高于4.5V时，会产生风险，高于5V，发生爆炸。因为锂电池的充电方式为先恒流再恒压。故本次课题应该采用恒定电流/恒定电压算法，型号为LTC4054的充电管理芯片。该管理芯片常用在mp3播放器和充电器中。在该芯片周围只需添加几个简单的外部元器件即可用于系统充电。该芯片功能齐全，市场越来越广阔。
针对治疗仪外接直流适配器的设计，由于激光器的PN结是在正向低压的条件下工作，强反向电压，突然增大的电流不但会使输出的激光受到影响，也会很容易损坏到半导体激光器。所以设计电路时，要考虑采用稳定的恒流源来供电。为实现激光器的高稳定性和高密度，该电源电路需要电流串联而且是负反馈的组合电路。因为输出功率是随着输出电流来调节的，所以该恒流源必须有过流保护并且可以连续可调，用于调节激光的输出功率。恒流源电路框图如图3-3所示。
本次设计的基准电压是MAXIM公司生产的REF02，REF02电压输入范围在7V-33V之内的都可以输出标准电压为5V。该标准电压足够满足模数转换器在使用过程中的基准电压，准确控制模数转换过程，该系统的恒定电流源电路如图3-4所示。

图3-3 恒定电流源电路框图

图3-4 恒定电流源电路图
3.3.1 LTC4054电池管理芯片的引脚介绍
本次设计中用到了LTC4054电池管理芯片，该管理芯片的5个引脚的功能具体如下述：
(1) GND：接地
(2) VCC：连接电源
(3) CHRG：完成充电的准备工作，当该引脚有个20微安的弱电流，充电结束。若系统处在欠压闭锁条件下，该引脚断开，处在高阻状态下，此时系统准备充电。
(4) BAT:供给锂电池电流。检测输出电压，当提供的电压达到4.2V时，该引脚工作结束，电源管理芯片停机，电池结束充电。
(5) PROG：检测充电电流，也可以设制充电电流。
3.3.2 电源电池管理芯片的工作原理
（1）正常充电循环：当电源管理芯片正常充电循环时，VCC引脚电压升至充电门限电压UVLO以上时，在RPROG引脚与地之间连接了一个精度为1%的设定电阻来控制充电电流。当电池与充电器输出端相连时，一个充电循环开始。如果BAT引脚电平低于2.9V，充电器进入涓流充电模式。在该模式中，LTC4054提供约1/10的设定充电电流，从而实现满电流充电。当BAT引脚电压升至2.9V以上时，充电器进入恒定电流模式，此时向电池提供恒定的充电电流。当BAT引脚电压达到最终浮充电压(4.2V)时，LTC4054进入恒定电压模式，且充电电流开始减小。当充电电流降至设定值的1/10，充电循环结束。
（2）充电电流的设定：充电电流是由高精度电阻RPROG来设制的，该电阻连接在PROG引脚和地之间。PROG引脚的输出电流是电池充电电流的千分之一。RPROG和充电的电流采用公式如下：
(3-1)
式中 RPROG——PROG引脚与地连接处的电阻（Ω）；
ICHG——经过PROG引脚的充电电流（mA）。
可以观察PROG的电压来了解经过BAT引脚的充电电流，公式如下
(3-2)
式中 VPROG——PROG引脚与地之间的电压（mV）。
（3）充电结束：充电电流经过一个最高值即浮充电压之后开始下降，当讲到设定值的十分之一时，充电结束。此时，锂电池承担BAT引脚上的所有部件负载。在这种状态下，电池管理芯片通过观察BAT的引脚电压，来决定是否开始下一次的充电。如果电池内没有电，则充电时间最长，由下列公式计算
(3-3)
(4)指示充电状态：充电状态输出具有三种不同的状态：强下拉(约10mA)、弱下拉(约20μA)和高阻抗。强下拉状态表示LTC4054处于一个充电循环中。弱下拉状态表示VCC满足门限电压UVLO条件，此时LTC4054处于充电就绪状态，锂离子需要充电。高阻抗状态表示LTC4054处于欠压闭锁模式，此时，要么VCC电压不足，要么电池电量充足不需要充电。利用两个不同阻值的上拉电阻，通过单片机系统检测出这三种状，来显示电池正在充电，充电完成和需要充电这三种状态。锂离子电池的充电原理图如图3-3，其中5V为直流适配器输入端，3V为锂离子电池输入端。
当电池正在充电循环时，CHRG为强下拉状态，此时P45被拉至低电平。当充电停止时，CHRG引脚为弱下拉状态，P45口将由R11拉至高电平，而P46将由R12拉至低电平。当电池电量充足或充电电压过低时，CHRG引脚为高阻态，则P46将被拉至高电平。BAT处的电压是不断变化的，当增大到某一个值，它是恒流充电，当它在增大到某一个值，它是恒压充电。之后电流不断减少至设定电压的十分之一，充电循环结束。

图3-5 锂电池充电电路图
3.4 功率控制电路
系统运用场效应管的导通特性来实现对激光器输出功率的控制。由单片机控制D/A转换器输出控制电压控制场效应管的栅极，场效应管接成恒流源的接法，从而通过控制电压实现对场效应管输出电流的控制，再使用输出的电流驱动激光器，实现对激光器功率的控制，功率控制电路如图3-6所示。
D/A转换器采用TI(德州仪器)公司的DAC6573，它是一个四通道的D/A转换器，使用I2C总线同单片机接口，可以工作在188KSPS的输出速率下具有10bit的分辨率，输出电压为0～5V。场效应管选用BS170，采用恒流源接法，用于输出可控的电流来驱动激光器。I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分：地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。
I2C规程运用主/从双向通讯，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

图3-6 功率控制电路
IC总线是采用了数字信号传输，即1（高电平）和0（低电平），将串行数据和串行时钟配对，即可构成一条IC总线。IC总线发出的数据，由时钟来识别，同时也要让它来控制完成各项功能，包括处理器中的检测和调整。对于总线系统，仅CPU可以控制整个环节，列如，应答信息虽然不具备时钟信号的功能，但在处理器CPU的控制下，也可以完成数据的传送。
IC总线是连接各个电路的串行总线。它操作简单，而且使用非常有效，它占用内存小，给其他传输腾出了空间，传输速率高，达到10kbs，而且支持多种控制，在电路设计中非常实用。各种控制电路并联在SDA磁盘地址数据线和时钟顺序控制回路上构成的IC总线上。这条电路线可以双向接受数据也可以双向发送数据，速率高达一百kbps，但是仅限于CPU与其控制的IC，以及IC和IC之间。总线上的电路都有且只有一个属于自己的地址，只有激活该地址，工作才能进行。当信息运输中，IC上的电路随着功能的转变，充当的角色也不同，它可能要控制别的电路，也可能被别的电路控制。
CPU通过发出信号来控制电路，也要选择每个电路上的地址，这取决于控制信号的地址码和控制量。由此可知，总线上的电路是各自独立的，没有关系的。
3.5 稳压电路设计
采用稳压电路主要考虑到半导体激光器的PN结和单片机系统的工作环境。激光器的PN结因在正向低压的工作环境下工作，且该PN结相当脆弱，较大的电流或者反向电压都会对其造成损坏，所以该系统需要稳定的电压和稳定的电流来驱使。稳压电路的要求如下表3-2。
表3-2 稳压电路的设计要求表
半导体激光输出功率最高范围为5Mw
激光二极管的电压工作范围为1.8-2.2V
单片机的电压工作范围为2.2V-5.5V
电源适配器需要提供的电压范围为4-12V
直流适配器的最高输出电压为5V
锂电池的额定电压为3.7V额定功率为1800mAh
在上表的要求前提下，本次设计的供电电压为3V，来使整个电路稳定运行。在能提供3V稳定电压的芯片中，可以考虑多个常用的系列，这些系列芯片从价格，质量，特性上没有啥差别，任意选择就可以。本次设计采用的是NCP551芯片。
该芯片由安森美半导体公司提供,当电路中的电压在1.5到5.0范围时，该芯片可以供给非常精确、稳定、没有干扰的电压。最高提供的电压达到12V。可以同时供给多个在6V电压下工作的器件。现在NCP551芯片技术已经成熟，它不仅用在一些大型的器件中，也开始进军小型器件列如手持电子产品以及其他的一些携带方便的产品。它其中的优势还由无杂音，所有用到该芯片的设备不需要再安装其他的元器件来降低噪音，从而减轻系统的负重。此外该芯片的使用寿命长，制造出的产品也可以工作很长时间，将此芯片和陶瓷器件，如电容器配合使用，更能发挥其功能，，逐渐用于各研发产品，市场前景广阔。
该芯片由其自身的优势，功率消耗低。电压的稳定,在3V左右，误差在0.3V，稳压差在150mA，工作电压不超过12V，电压输出