目前，外腔半导体激光器因其具有低阈值、寿命长、体积小、高可靠性和转换效率高等优点，在科研、通讯、国防、精密测量和冷原子物理等领域中被广泛应用。外腔半导体激光器对温度变化非常敏感，自身工作时产生的热量严重影响其输出特性。因此，设计并研制了一种基于C8051F系列单片机的外腔半导体激光器高精度温度控制系统。首先，详细地分析了温度对外腔半导体激光器输出特性的影响、温度控制的特点以及当前国内外常用的温度控制方法。该温度控制系统采用负温度系数热敏电阻作为温度传感器，并对它的数学模型进行数学分析并精确地建立了电阻值、温度值、采样电压值三者之间对应表。其次，完成了以C8051F021单片机为核心的温度控制系统电路的设计。温度采集电路具有灵活、准确的特性，能对温度采样进行实时分档调节并消除了基准电压温漂和波动对采样结果的影响。在驱动电路中利用体积小、无污染、控温精度高的半导体制冷器(TEC)作为系统的执行元件。单片机输出的脉冲宽度调制(PWM)驱动电桥电路工作来控制TEC加热或制冷，达到了快速、双向、低功耗的要求。最后，在软件设计中采用比较成熟的数字PID控制算法，并对其进行变速积分和不完全微分改进以及算法校准的优化处理，以使系统的温度控制精度更高、响应速度更快、超调量更小。实验结果表明：系统的测量分辨率为0.01℃，控温精度为±0.04℃，系统稳定的建立时间大约为5~7分钟左右。