基于STM32的高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶 宵,徐廣平,房孝俊

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

由于半導(dǎo)體激光器LD的工作性能受溫度變化的影響很大,當(dāng)LD在工作的時(shí)候,LD的電流閾值、最大輸出功率和最小功率波動(dòng)都會(huì)受到自身在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量和環(huán)境溫度而發(fā)生變化,導(dǎo)致激光器內(nèi)部的溫度可能發(fā)生比較大的改變,從而影響激光器的正常工作[1-2]。因此需要能給LD提供高精度、恒定的溫度控制來使其穩(wěn)定的工作。通過提出一種邏輯電路將PWM控制信號(hào)、使能信號(hào)EN(控制溫控板是否工作)以及H橋?qū)ㄇ袚Q信號(hào)(控制H橋中的MOS管導(dǎo)通)作為輸入,輸入信號(hào)經(jīng)過邏輯變換后輸入到整流器件來控制H橋的導(dǎo)通,從而改變TEC兩端電流大小與電流方向來控制TEC溫度的加熱或制冷,這種邏輯電路可以降低開關(guān)損耗、提高工作效率以及可靠性。在PID算法設(shè)計(jì)中使用變速積分PID算法相較于積分分離PID算法其優(yōu)點(diǎn)在于控制曲線過渡平穩(wěn),沒有出現(xiàn)振蕩,而且其過渡過程時(shí)間減少,對超調(diào)量的改善也比較明顯[3]。因此本次設(shè)計(jì)通過使用變速積分PID算法來替代之前使用的積分分離PID算法和溫度模塊的改良來實(shí)現(xiàn)達(dá)到高穩(wěn)定性、高精度的溫度控制。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于STM32的高穩(wěn)定性、高精度溫度控制系統(tǒng)的電路整體框圖如圖1所示。使用熱敏電阻完成LD的溫度采集,通過上位機(jī)完成LD的溫度設(shè)定,再由STM32單片機(jī)將采集到的LD溫度值與LD溫度的設(shè)定值偏差值經(jīng)PID計(jì)算后得到PWM信號(hào)的占空比的值,PWM的頻率為50 kHz,將PWM信號(hào)、使能信號(hào)、H橋?qū)ㄇ袚Q信號(hào)經(jīng)過邏輯控制電路后產(chǎn)生的信號(hào)送到HIP2101來驅(qū)動(dòng)H橋來使半導(dǎo)體制冷器TEC的升溫與降溫,達(dá)到使LD的溫度高穩(wěn)定性且精度高地控在設(shè)定溫度值。

圖1 基于STM32的高精度溫度控制系統(tǒng)整體框圖

2.1.1 溫度采集電路

溫度采集電路如圖2所示,使用熱敏電阻采集溫度,其靈敏度較高、工作溫度范圍廣、體積小、穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。在溫度采集電路中,VDDA為2.5 V,用1個(gè)10 kΩ的電阻和熱敏電阻RT分壓,得到的電壓送入到單片機(jī)STM32F103RCT6,用單片機(jī)內(nèi)部分辨率為12位的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到當(dāng)前溫度下的熱敏電阻RT的電壓,再根據(jù)廠家提供的溫度-電壓表格進(jìn)行查表得到所測量的TEC溫度。

2.1.2 邏輯控制電路

邏輯控制電路中H橋?qū)ㄇ袚Q信號(hào)主要是控制H橋的不同方向的導(dǎo)通從而來實(shí)現(xiàn)TEC的加熱與制冷、使能信號(hào)主要是控制溫控板是否工作,從而控制TEC的加熱或制冷、PWM信號(hào)的占空比決定加熱制冷的時(shí)間。圖3是邏輯控制電路框圖；圖4是NMOS管構(gòu)成的橋。

圖2 溫度采集電路

圖3 邏輯控制電路框圖

圖4 由NMOS管構(gòu)成的H橋

當(dāng)使能信號(hào)EN為高電平時(shí),那么與門S的輸出Sout的信號(hào)與PWM信號(hào)是相同的,通過SWITCH的電平來確定TEC是加熱還是制冷。當(dāng)SWITCH為高電平時(shí),圖3中的模擬開關(guān)NO管腳與Sout導(dǎo)通則NO為PWM信號(hào),NC則是低電平,NO的信號(hào)經(jīng)過H橋驅(qū)動(dòng)電路處理后能夠使H橋中Q6導(dǎo)通,Q5截止,而NC的低電平經(jīng)過H橋驅(qū)動(dòng)電路處理后導(dǎo)致Q1導(dǎo)通,Q2截止,此時(shí)的H橋中TEC+為高電平,TEC-為低電平；當(dāng)SWITCH為低電平時(shí),模擬開關(guān)NC管腳與Sout導(dǎo)通則NC為PWM信號(hào),NO則是低電平,NO經(jīng)過H橋電路處理后能夠使Q2導(dǎo)通,Q1截止,而NO則最終導(dǎo)致Q5導(dǎo)通,Q6截止,此時(shí)的H橋中TEC-為高電平,TEC+為低電平。使能信號(hào)為高電平時(shí),溫控板是正常工作的,通過SWITCH的高低電平切換,改變TEC+與TEC-之間的導(dǎo)通方向從而實(shí)現(xiàn)TEC的加熱或制冷。

當(dāng)使能信號(hào)EN 為低電平時(shí),那么Sout的信號(hào)始終為低電平,送入到模擬開關(guān),無論SWITCH的電平為高或低,NC與NO管腳的信號(hào)始終為低電平,低電平經(jīng)過門電路處理后送入H橋驅(qū)動(dòng)電路中使Q1與Q5是導(dǎo)通的,Q2與Q6是截止的,則TEC+與TEC-都為0 V,因此使能信號(hào)為高電平時(shí),溫控板是停止工作的,TEC也不會(huì)工作。

由于邏輯控制電路控制的H橋相較于全橋芯片,在工作的過程中H橋只有一個(gè)半橋在工作,從而降低功耗,提高工作效率和穩(wěn)定性。

2.2 高精度、高穩(wěn)定性的溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度控制中使用的積分分離PID算法進(jìn)行控溫,該算法在溫度與設(shè)置溫度的偏離較大時(shí),取消積分作用,只有在溫度偏差較小的時(shí)候引入積分作用,這樣在實(shí)際溫控過程中會(huì)出現(xiàn)溫度抖動(dòng)。而本次設(shè)計(jì)使用變積分PID算法進(jìn)行控溫,主要是改變積分項(xiàng)的累加速度,當(dāng)溫度偏差比較大時(shí),使積分慢一點(diǎn),積分作用相對弱一點(diǎn),溫度偏差比較小時(shí),使積分快一點(diǎn),積分作用相對強(qiáng)一些。變積分PID算法的表達(dá)式:

Kd×(e(k)-e(k-1))

(1)

(2)

式中，e(k)為偏差值。

變速積分PID算法控制流程圖如圖5所示。使用變速積分PID算法進(jìn)行控溫可以高精度、穩(wěn)定的將溫度控制在設(shè)定值。

2.3 溫控串口上位機(jī)軟件編寫

針對高精度溫度控制系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)一款溫度控制串口上位機(jī)進(jìn)行控溫調(diào)試。溫控串口的設(shè)計(jì)是在VC++6.0下使用微軟提供的一個(gè)多線程串口編程工具CSerialPort類來完成的[4]。溫度串口上位機(jī)主要功能包括串口設(shè)置、設(shè)置溫度、保存設(shè)置溫度的參數(shù)、打開/關(guān)閉溫控、以及查詢溫控源和串口狀態(tài)顯示。打開/關(guān)閉溫控主要是發(fā)送相關(guān)指令控制溫控板使能端來控制其是否處于工作狀態(tài)；保存參數(shù)主要是發(fā)送指令到STM32來存儲(chǔ)設(shè)置的溫度值；查詢溫控源主要是查詢環(huán)境溫度、實(shí)時(shí)TEC溫度、設(shè)置溫度值、溫控狀態(tài)(打開溫控顯示1；關(guān)閉顯示0)、到溫狀態(tài)(當(dāng)TEC的溫度達(dá)到設(shè)置溫度的±1 ℃時(shí)顯示1,否則為0)。溫控串口上位機(jī)界面(查詢常溫狀態(tài)下)如圖6所示。

圖5 變速積分PID算法控制流程圖

圖6 溫度控制串口上位機(jī)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 積分分離PID算法的Matlab仿真

圖8 變速積分PID算法的Maltab仿真

由上圖可以知道積分分離PID算法在調(diào)節(jié)過程中會(huì)出現(xiàn)振蕩,而且過渡控制時(shí)間長一些,相比較而言變速積分調(diào)節(jié)質(zhì)量更高一點(diǎn),將變速積分PID算法與積分分離PID算法應(yīng)用到實(shí)際的溫控設(shè)計(jì)中,利用溫度控制串口上位機(jī)分別對兩種算法設(shè)置不同的溫度。圖9中利用變速積分PID算法將TEC的溫度由32 ℃控到18 ℃,而圖10中利用積分分離PID算法將溫度由26 ℃控到42 ℃,由兩個(gè)算法分別采集到的數(shù)據(jù)可以看出,在實(shí)際過程中積分分離PID算法在控溫過程中會(huì)發(fā)生溫度抖動(dòng)的情況,溫度抖動(dòng)會(huì)有2 ℃左右的差別,而變速積分PID算法在控溫過程中能穩(wěn)定的到達(dá)控制溫度。

圖9 使用變速積分PID算法采集的溫度變化

圖10 用積分分離PID算法采集的溫度變化

4 結(jié) 論

本次溫度控制的設(shè)計(jì)使用邏輯控制電路代替專用的全橋整流芯片,將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)、溫控板的使能信號(hào)、H橋?qū)ㄇ袚Q信號(hào)配合邏輯電路實(shí)現(xiàn)控制TEC的加熱和制冷,使得電路在工作過程中H橋僅有一個(gè)半橋在工作,使得系統(tǒng)電路功耗降低,效率提高。在PID算法上,由于積分分離PID算法在系統(tǒng)中進(jìn)行控溫時(shí)會(huì)在溫度控制過程中出現(xiàn)溫度抖動(dòng),所以采用變速積分分離PID算法使在控溫過程中溫度能夠平穩(wěn)、高精度地達(dá)到設(shè)定溫度。