基于STM32單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀佩

摘要：文章首先介紹了整個(gè)控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，然后從溫度采集以及邏輯控制兩個(gè)方面對(duì)其硬件部分設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最后對(duì)系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終達(dá)到提高控溫系統(tǒng)精度、降低損耗、提升電路工作效率及其可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);溫度控制;PID算法

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）08-0098-02

隨著當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，溫度檢測控制系統(tǒng)逐漸融入人們的生產(chǎn)生活中，極大地提高了生產(chǎn)、生活的效率、舒適性以及便利程度。與此同時(shí)，人們對(duì)于溫度控制系統(tǒng)方面的要求也在不斷提高。為進(jìn)一步提高溫度控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性以及穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)于溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，因此，本文基于STM32單片機(jī)對(duì)控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開詳細(xì)探討。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

溫度控制系統(tǒng)的溫度測量以及溫度控制的可靠性和穩(wěn)定性與半導(dǎo)體激光器LD之間有著極其密切的關(guān)系，LD的性能不僅會(huì)受到溫度影響，而且在實(shí)際運(yùn)行過程中，LD的電流以及輸出功率等都會(huì)由于發(fā)熱而導(dǎo)致環(huán)境溫度發(fā)生變化，進(jìn)而使得LD正常運(yùn)行受到一定影響。因此，在實(shí)際進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為保障系統(tǒng)性能，需要通過設(shè)計(jì)一種邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)于控溫系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。從PWM控制信號(hào)、EN溫控板工作控制信號(hào)和控制H橋?qū)ǖ那袚Q信號(hào)入手，在邏輯控制電路的作用下，使得輸入信號(hào)通過整流器件實(shí)現(xiàn)對(duì)于H橋的導(dǎo)通控制，以此對(duì)TEC溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式能夠有效減少開關(guān)損耗，同時(shí)進(jìn)一步提高控溫系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外，在算法設(shè)計(jì)方面，由于傳統(tǒng)積分分離PID算法會(huì)出現(xiàn)震蕩情況，因此在本文所討論的系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，將其替換成為變速積分PID算法，以此確?？刂魄€能夠平穩(wěn)過渡，提升溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路之下，明確了基于STM32單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架，如圖1所示。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)溫度控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)而言，主要包括的硬件結(jié)構(gòu)有熱敏電阻、上位機(jī)、STM32單片機(jī)、H橋電路以及邏輯控制電路等。其中熱敏電阻的主要作用在于溫度的采集;上位機(jī)的作用是進(jìn)行溫度的設(shè)定;而STM32單片機(jī)則是對(duì)所采集到的溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行偏差值計(jì)算，由此得到PWM信號(hào)的占空比;然后將獲得的PWM信號(hào)、RN使能信號(hào)以及SWITCH信號(hào)經(jīng)由邏輯控制電路傳輸?shù)紿橋電路中，以此實(shí)現(xiàn)溫度的控制，其中涉及的硬件電路設(shè)計(jì)包括溫度采集電路以及邏輯控制電路兩個(gè)部分。

（1）溫度采集

溫度采集電路設(shè)計(jì)主要是通過熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度采集的，本次硬件設(shè)計(jì)選用熱敏電阻的主要原因在于，熱敏電阻有著極高的靈敏度，即便是微小的溫度變化也能夠有效感知，能夠檢測出6～10℃的溫度變化，而且其工作溫度范圍相對(duì)較寬，通常情況下常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃，而且目前可測最高溫度高達(dá)2000℃，低溫器件適用于-273℃～-55℃，具有體積小、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。溫度采集電路的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：其中VDDA為2.5V，在電路中設(shè)置一個(gè)10kΩ的電阻，將其與熱敏電阻進(jìn)行串聯(lián)，以此達(dá)到分壓的目的，然后將由VDDA傳出的電壓輸送到單片機(jī)中，在單片機(jī)的功能支持下，通過計(jì)算分析能夠得到熱敏電阻此時(shí)的電壓，再根據(jù)熱敏電阻生產(chǎn)廠家提供的電壓溫度對(duì)照表得到此時(shí)所測量的實(shí)際溫度，以此達(dá)到溫度采集的目的。

（2）邏輯控制

邏輯控制電路的主要功能是，對(duì)于由STM32單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)、RN使能信號(hào)以及SWITCH信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其輸入到H橋電路中，以此完成對(duì)于TEC的溫度控制。其中H橋?qū)ㄇ袚Q信號(hào)的作用主要是控制導(dǎo)通的方向，以此達(dá)到加熱制冷目的;而使能信號(hào)是控制溫控板工作狀態(tài)的信號(hào)，決定其加熱或制冷功能的發(fā)揮;PWM信號(hào)則是通過占空比達(dá)到控制系統(tǒng)加熱或者制冷時(shí)間的目的。

邏輯控制電路示意圖如圖2所示。在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出的使能信號(hào)EN處于高電平狀態(tài)下時(shí)，由S輸出的Sout信號(hào)就會(huì)與PWM信號(hào)保持同步性，此時(shí)就需要由SWITCH信號(hào)決定整個(gè)控溫系統(tǒng)是發(fā)揮制冷功能還是制熱功能。若SWITCH信號(hào)為高電平，那么電路模擬開關(guān)當(dāng)中的NO會(huì)與Sout直接導(dǎo)通，那么NO呈現(xiàn)出的就是高電平狀態(tài)，與PWM信號(hào)保持一致，而NC則為低電平，這就會(huì)使得H橋當(dāng)中的TEC+呈現(xiàn)出高電平狀態(tài)，而TEC-為低電平狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)溫度的提升。而當(dāng)SWITCH信號(hào)為低電平時(shí)，那么電路模擬開關(guān)當(dāng)中的NC會(huì)與Sout直接導(dǎo)通，那么NC呈現(xiàn)出的就是高電平狀態(tài)，與PWM信號(hào)保持一致，而NO則為低電平，這就會(huì)使得H橋當(dāng)中的TEC-呈現(xiàn)出高電平狀態(tài)，而TEC+為低電平狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)溫度的降低。在使能信號(hào)EN處于高電平狀態(tài)下時(shí)，控溫系統(tǒng)是能夠正常進(jìn)行制冷或者制熱，其實(shí)際發(fā)揮控溫功能的關(guān)鍵點(diǎn)表現(xiàn)在SWITCHDE的電平高低上，因此通過對(duì)SWITCH電平的控制改變TEC-和TEC+的電平表現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的。

當(dāng)輸出的使能信號(hào)EN處于低電平狀態(tài)下時(shí)，此時(shí)的加熱、制冷溫度控制板處于不工作的狀態(tài)，無論SWITCH的電平如何變化，由Sout輸出的信號(hào)始終為低電平，不會(huì)受到任何影響，這就會(huì)導(dǎo)致由模擬開關(guān)輸出的NC和NO也始終處于低電平狀態(tài)之下，使得最終TEC-和TEC+的電平始終處于0V的狀態(tài)之下。即當(dāng)使能信號(hào)為低電平狀態(tài)下時(shí)，控溫板處于停止工作狀態(tài)之下，那么此時(shí)的TEC也是無法進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。此外，由于本文所采用的H橋邏輯電路結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中始終只有一半橋是處于運(yùn)行狀態(tài)之下，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的功耗，保障了系統(tǒng)運(yùn)行效率[2]。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面主要包括控溫算法設(shè)計(jì)以及控溫串口上位機(jī)的軟件編寫兩個(gè)部分。

控溫算法設(shè)計(jì)方面，為改善傳統(tǒng)算法進(jìn)行溫度控制時(shí)出現(xiàn)的溫度抖動(dòng)問題，采用了變速積分PID算法取代積分分離PID算法。積分分離控制算法公式：

由上述公式可知，積分分離算法主要是在偏差較大時(shí)取消積分作用，在偏差較小時(shí)引入積分作用，這樣在實(shí)際進(jìn)行控溫的過程中就會(huì)出現(xiàn)溫度抖動(dòng)，而變速積分PID算法則重新劃分了偏差值區(qū)間，當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，降低積分項(xiàng)的累加速度，以此減弱積分作用，有效緩解溫度抖動(dòng)問題，而當(dāng)溫度改變幅度不大時(shí)，則可以適當(dāng)提高積分項(xiàng)的累加速度，在提高工作效率的同時(shí)，由于溫度偏差小，因此不會(huì)出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)情況，進(jìn)一步提高了溫度控制的穩(wěn)定性[3]。

變速積分PID算法的實(shí)際運(yùn)行控制流程包括以下幾個(gè)步驟：第一，采集LD溫度數(shù)據(jù);第二，對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的溫度值之間的偏差進(jìn)行計(jì)算;第三，判斷偏差值的大小是否在一定范圍之內(nèi)，若偏差值較大，則通過變速積分算法對(duì)積分累加速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，若偏差值較小，則可以直接進(jìn)行PID控制，以此完成溫度的控制和調(diào)節(jié)。在實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證的過程中，可以看出，積分分離PID算法下的溫度變化有著明顯的抖動(dòng)情況，抖動(dòng)范圍在2℃左右，而相比之下變速積分PID算法下的溫度變化相對(duì)較為穩(wěn)定、平緩[4]。

在溫控串口上位機(jī)軟件編寫方面，需要基于上位機(jī)本身的功能需求和實(shí)際作用進(jìn)行串口的設(shè)計(jì)。其上位機(jī)功能主要有串口的設(shè)置、溫度的設(shè)定、參數(shù)保存、溫控啟閉以及狀態(tài)查詢等多個(gè)功能。其中，溫控啟閉功能的實(shí)現(xiàn)主要通過向溫控板發(fā)送相應(yīng)指令來實(shí)現(xiàn)功能控制;參數(shù)的保存功能是通過對(duì)STM32單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令，達(dá)到存儲(chǔ)溫度控制值的目的;查詢功能則主要包括對(duì)環(huán)境溫度的查詢、實(shí)施TEC的查詢以及設(shè)置的溫度值、溫控板狀態(tài)等方面的查詢[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文基于STM32單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，在硬件方面對(duì)溫度采集電路以及邏輯控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在軟件方面對(duì)控溫算法和控溫串口上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)中溫度大幅調(diào)整時(shí)的抖動(dòng)情況以及能耗問題做出了相應(yīng)改善。本文所提出的控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠有效保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，而且也在一定程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

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