基于STM32半導(dǎo)體制冷片溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟穎 張貴陽(yáng) 魏曉馬 武宇欣 汪磊 竇成林

【摘要】激光器的工作溫度至關(guān)重要，該設(shè)計(jì)用于激光器工作溫度調(diào)節(jié)模塊，以提高激光器的穩(wěn)定性能。本文以STM32F303為控制芯片， 采用TEC為制冷元件，通過(guò)采集溫度并模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給上位機(jī)，上位機(jī)程序控制STM32的數(shù)模輸出控制TEC的加熱或制冷，同時(shí)以PID算法為基礎(chǔ)構(gòu)建了一套半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)，半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)能夠?yàn)榧す馄魈峁┧璧墓ぷ鳒囟?，精度可達(dá)到±0.1℃。

【關(guān)鍵詞】溫度控制;STM32;A/D D/A;PID算法;LabVIEW

1.前言

溫控系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響較大，因?yàn)闇囟日{(diào)節(jié)過(guò)程中慣性大，對(duì)于溫度上升或下降的有效快速調(diào)節(jié)是難題，目前我們熟知的溫控系統(tǒng)都存在成本高或精度低及靈活性差的缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題本系統(tǒng)在工作過(guò)程中可以隨時(shí)切換極性，從而完成對(duì)設(shè)定溫度值的精確控制。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)HX-RS-HSW1204C高精度微型溫度變送器連接pt100將采集到的溫度傳給STM32單片機(jī)，STM32將采集到的溫度值模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給上位機(jī)顯示，并將采集溫度值記為sp，將當(dāng)前溫度值sp減去設(shè)定值ap后給PID控制器，STM32根據(jù)PID的輸出信號(hào)m（t）進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并輸出給TTC-DS驅(qū)動(dòng)模塊，TTC-DS驅(qū)動(dòng)模塊控制TEC工作.

2.1 測(cè)量部分：

采用Pt100和HX-RS-HSW1204C高精度微型溫度變送器，輸出信號(hào)是電壓信號(hào)，其工作電壓是±24V，輸出是0-5V，對(duì)應(yīng)的溫度范圍是-40-100℃，溫度與電壓呈線性關(guān)系，，其采集精度可達(dá)到0.05℃。

pt100是一種穩(wěn)定性高和性能良好的溫度傳感器，工作范圍-200℃至650℃。pt100是電阻式溫度檢測(cè)器，具有正電阻系數(shù)，其電阻和溫度變化的關(guān)系如下：，其中=0.00392，為100（在0℃的電阻值），為攝氏溫度[1]。傳感器型變送器通常包含信號(hào)轉(zhuǎn)換器與傳感器兩部分。測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元是信號(hào)轉(zhuǎn)換器的主要組成部分。為得到由溫度值轉(zhuǎn)換的電壓值，將pt100與溫度變送器連接，溫度變送器具有兩個(gè)測(cè)量溫差的傳感器，輸出信號(hào)與溫差之間有具體的比列關(guān)系，能將普通電信號(hào)或物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠以通訊協(xié)議方式輸出或標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。電流變送器是將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置。我們采用的是輸出為標(biāo)準(zhǔn)電壓的變送器，溫度采集信號(hào)的處理電路如圖1所示。

圖2 電源電路圖

2.2 TEC制冷片

半導(dǎo)體制冷又叫做熱電制冷、電子制冷或者溫差電制冷。半導(dǎo)體制冷是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)制冷方法，利用帕爾貼效應(yīng)的原理達(dá)到制冷目的。

其發(fā)展起源于塞貝克效應(yīng)的提出，兩種不同材料a和b的接觸點(diǎn)處于不同的溫度T1和T2，在斷點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)Vab[2]，如圖2所示。

并且塞貝克得出，在一定溫度范圍內(nèi)的大小與溫度差成正比，它們的比例系數(shù)用表示，則：

a對(duì)b的電勢(shì)與溫差的比例系數(shù)，稱為相對(duì)塞貝克系數(shù)。當(dāng)取兩種同質(zhì)材料時(shí)，他們的電動(dòng)勢(shì)相消，可以把它們的貢獻(xiàn)分開

這樣，每種材料都有各自的塞貝克系數(shù)，稱為絕對(duì)塞貝克系數(shù)。帕爾帖發(fā)現(xiàn)了與之相反的效應(yīng)，即帕爾帖效應(yīng)：當(dāng)電流I通過(guò)兩種異質(zhì)材料構(gòu)成的閉合回路時(shí)，在材料的一端銜接處吸收熱量，另一端放出熱量。這種吸收或放出的熱量稱為帕爾帖熱，電流的方向決定其是否吸熱或放熱，大小由公式給出。為帕爾帖系數(shù)，與溫差電動(dòng)勢(shì)率有關(guān)，是組成回路的兩種材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率， 為銜接處溫度。

本系統(tǒng)所選用的TEC1-12715半導(dǎo)體制冷片，屬于大功率制冷片，該致冷片工作在一面致冷一面發(fā)熱的模式，在其工作時(shí)必須確保制冷片熱面良好散熱。兩面的溫差將影響制冷片的效率[3]。

圖3、圖4是本系統(tǒng)采用的TEC電壓、電流及功率之間與TEC兩面溫差的關(guān)系圖。

2.3 TEC 驅(qū)動(dòng)器

我們采用型號(hào)為TTC-DC15-10A12V-DS（簡(jiǎn)稱 TTC-DS）的驅(qū)動(dòng)模塊，其輸入直流 電壓是15V（電流由TEC決定），輸出雙極性電壓±12V，最大電流10A（見圖5）。

各引腳功能如下：

PIN7：保險(xiǎn)絲狀態(tài)輸出。低電平=ERROR，高電平=OK

PIN6：驅(qū)動(dòng)器輸出電壓控制端。直流 0-2.4V，控制驅(qū)動(dòng)器輸出0-12V（或者其他）

PIN5：驅(qū)動(dòng)器使能輸入。低電平使能，常態(tài)=OFF。

PIN4：驅(qū)動(dòng)器極性切換。高電平=制冷，低電平=加熱。

PIN3：TEC 電流監(jiān)視輸出，0-2.4V（或者其他）。

PIN2：TEC 電壓監(jiān)視輸出，0-2.4V（或者其他）。

PIN1：GND，接地回路。

3.軟件和算法

本系統(tǒng)中，TEC的額定電流不超過(guò)15A，我們控制在10A以下，在程序執(zhí)行的過(guò)程中不斷對(duì)電流進(jìn)行判斷。當(dāng)采集回來(lái)的溫度值與設(shè)定值不相等時(shí)，通過(guò)PID控制器控制STM32的數(shù)模輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，從而達(dá)到溫控的目的。

軟件流程圖如圖6所示。

PID算法：

PID是常用的控制器，由于環(huán)境因素的干擾，該系統(tǒng)需要進(jìn)行閉環(huán)控制，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制目標(biāo)的恒定，整個(gè)過(guò)程的控制和調(diào)節(jié)就必須不斷進(jìn)行。如果周圍溫度與激光器功率發(fā)生變化，溫度傳感器元件就會(huì)將變化值采集送至PID控制器的輸入端，并與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，調(diào)節(jié)器按照偏差值并同預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)作用后發(fā)出控制信號(hào)，由此改變調(diào)節(jié)器，使溫度趨向于設(shè)定值，達(dá)到溫控的目的。

PID具有比例加微分加積分的控制作用，控制偏差作為PID控制的輸入，由給定值與實(shí)際輸出值所構(gòu)成，作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。PID控制器的控制規(guī)律可以表示為：

其中：--控制器的比例系數(shù);--控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù);--控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)。

在計(jì)算機(jī)控制中，需要用到數(shù)字式PID，我們將PID控制器的傳遞函數(shù)

中的微分項(xiàng)和積分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理，就可以確定PID的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于微分環(huán)節(jié)，應(yīng)用向后差分法則有：

同樣，對(duì)積分環(huán)節(jié)有：

將他們相加得：

據(jù)此，就可以用數(shù)字計(jì)算機(jī)或微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制器[4]。

（1）位置式 PID 控制算法

按模擬PID控制算法[5]，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)代表連續(xù)時(shí)間，以矩形法數(shù)值積分代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：

綜合上述三個(gè)公式，可得離散式表達(dá)式：

在上列各式中，

，

、分別為第和第時(shí)刻所得的偏差信號(hào)，為采樣周期，為采樣序號(hào)， =1，2，3，4……。

由此可以看出位置式PID控制算法存在某些不足，因?yàn)椴捎萌枯敵觯暂敵隽烤c過(guò)去的狀態(tài)相關(guān)，計(jì)算時(shí)要累加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差作為計(jì)算機(jī)輸出控制量，如果溫度傳感器出現(xiàn)故障，可能會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。的大幅度變化會(huì)引起TEC驅(qū)動(dòng)模塊輸出的大幅度變化，這種情況的后果很嚴(yán)重，為避免該情況的發(fā)生，可采用增量式PID算法。

（2）增量式PID控制算法

增量式PID控制算法的原理是，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量，根據(jù)遞推原理推得：

增量式PID算法：

本文中使用的就是增量式PID控制算法。

4.實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)

根據(jù)調(diào)整PID控制器的Ziegler–Nichols法則[6]，在純比例作用下得到臨界振蕩過(guò)程，確定臨界比例度和臨界周期的值，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值。同時(shí)結(jié)合4：1衰減法[7]，把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到零。待調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例度，觀察輸出溫度值和調(diào)節(jié)過(guò)程的波動(dòng)情況，直到出現(xiàn)4：1衰減過(guò)程為止。記錄4：1衰減比例度和操作周期，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求得調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，然后把三個(gè)參數(shù)加到控制器上進(jìn)行控制。

當(dāng)溫度設(shè)定為30℃時(shí)，上位機(jī)顯示的溫度如圖7、圖8所示。

從圖7和圖8可以看出該系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，其上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間很小，具有很小的超調(diào)量，其控制精度范圍在±0.1℃內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用增量式PID對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)比例系數(shù)=1.848，積分系數(shù)=1.5E-6，微分系數(shù) =30時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到最好的效果。

圖7 溫度顯示波形圖表

圖8 溫度精度圖表

5.結(jié)論

本設(shè)計(jì)從硬件構(gòu)造及軟件算法介紹了基于STM32的溫度控制系統(tǒng)，采用PID控制數(shù)模輸出值，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，提高的系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。采用兩組半導(dǎo)體制冷器對(duì)稱安裝的結(jié)構(gòu)形式，可使半導(dǎo)體達(dá)到最佳的制冷效果。在調(diào)試的過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。系統(tǒng)采用了該系統(tǒng)還可以方便的應(yīng)用于其他需要進(jìn)行溫度精確控制的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：孟穎（1980—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)，目標(biāo)識(shí)別。