基于STM32半導體制冷片溫控系統的設計

孟穎 張貴陽 魏曉馬 武宇欣 汪磊 竇成林

【摘要】激光器的工作溫度至關重要，該設計用于激光器工作溫度調節模塊，以提高激光器的穩定性能。本文以STM32F303為控制芯片， 采用TEC為制冷元件，通過采集溫度并模數轉換傳給上位機，上位機程序控制STM32的數模輸出控制TEC的加熱或制冷，同時以PID算法為基礎構建了一套半導體溫度調節系統。實驗結果表明，通過PID算法調節，半導體制冷溫度控制系統能夠為激光器提供所需的工作溫度，精度可達到±0.1℃。

【關鍵詞】溫度控制;STM32;A/D D/A;PID算法;LabVIEW

1.前言

溫控系統受環境溫度影響較大，因為溫度調節過程中慣性大，對于溫度上升或下降的有效快速調節是難題，目前我們熟知的溫控系統都存在成本高或精度低及靈活性差的缺點。針對這些問題本系統在工作過程中可以隨時切換極性，從而完成對設定溫度值的精確控制。

2.硬件系統設計

本設計通過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，STM32將采集到的溫度值模數轉換后傳給上位機顯示，并將采集溫度值記為sp，將當前溫度值sp減去設定值ap后給PID控制器，STM32根據PID的輸出信號m（t）進行數模轉換并輸出給TTC-DS驅動模塊，TTC-DS驅動模塊控制TEC工作.

2.1 測量部分：

采用Pt100和HX-RS-HSW1204C高精度微型溫度變送器，輸出信號是電壓信號，其工作電壓是±24V，輸出是0-5V，對應的溫度范圍是-40-100℃，溫度與電壓呈線性關系，，其采集精度可達到0.05℃。

pt100是一種穩定性高和性能良好的溫度傳感器，工作范圍-200℃至650℃。pt100是電阻式溫度檢測器，具有正電阻系數，其電阻和溫度變化的關系如下：，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轉換器與傳感器兩部分。測量單元、信號處理和轉換單元是信號轉換器的主要組成部分。為得到由溫度值轉換的電壓值，將pt100與溫度變送器連接，溫度變送器具有兩個測量溫差的傳感器，輸出信號與溫差之間有具體的比列關系，能將普通電信號或物理信號轉換為能夠以通訊協議方式輸出或標準電信號輸出。電流變送器是將被測主回路交流電流轉換成恒流環標準信號，連續輸送到接收裝置。我們采用的是輸出為標準電壓的變送器，溫度采集信號的處理電路如圖1所示。

圖2 電源電路圖

2.2 TEC制冷片

半導體制冷又叫做熱電制冷、電子制冷或者溫差電制冷。半導體制冷是以溫差電現象為基礎制冷方法，利用帕爾貼效應的原理達到制冷目的。

其發展起源于塞貝克效應的提出，兩種不同材料a和b的接觸點處于不同的溫度T1和T2，在斷點處就會產生電勢Vab[2]，如圖2所示。

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

a對b的電勢與溫差的比例系數，稱為相對塞貝克系數。當取兩種同質材料時，他們的電動勢相消，可以把它們的貢獻分開

這樣，每種材料都有各自的塞貝克系數，稱為絕對塞貝克系數。帕爾帖發現了與之相反的效應，即帕爾帖效應：當電流I通過兩種異質材料構成的閉合回路時，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，與溫差電動勢率有關，是組成回路的兩種材料的溫差電動勢率， 為銜接處溫度。

本系統所選用的TEC1-12715半導體制冷片，屬于大功率制冷片，該致冷片工作在一面致冷一面發熱的模式，在其工作時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是本系統采用的TEC電壓、電流及功率之間與TEC兩面溫差的關系圖。

2.3 TEC 驅動器

我們采用型號為TTC-DC15-10A12V-DS（簡稱 TTC-DS）的驅動模塊，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：保險絲狀態輸出。低電平=ERROR，高電平=OK

PIN6：驅動器輸出電壓控制端。直流 0-2.4V，控制驅動器輸出0-12V（或者其他）

PIN5：驅動器使能輸入。低電平使能，常態=OFF。

PIN4：驅動器極性切換。高電平=制冷，低電平=加熱。

PIN3：TEC 電流監視輸出，0-2.4V（或者其他）。

PIN2：TEC 電壓監視輸出，0-2.4V（或者其他）。

PIN1：GND，接地回路。

3.軟件和算法

本系統中，TEC的額定電流不超過15A，我們控制在10A以下，在程序執行的過程中不斷對電流進行判斷。當采集回來的溫度值與設定值不相等時，通過PID控制器控制STM32的數模輸出，實現動態閉環控制，從而達到溫控的目的。

軟件流程圖如圖6所示。

PID算法：

PID是常用的控制器，由于環境因素的干擾，該系統需要進行閉環控制，要想達到現場控制目標的恒定，整個過程的控制和調節就必須不斷進行。如果周圍溫度與激光器功率發生變化，溫度傳感器元件就會將變化值采集送至PID控制器的輸入端，并與設定值進行比較得出偏差，調節器按照偏差值并同預先設定的整定參數作用后發出控制信號，由此改變調節器，使溫度趨向于設定值，達到溫控的目的。

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，由給定值與實際輸出值所構成，作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。PID控制器的控制規律可以表示為：

其中：--控制器的比例系數;--控制器的積分時間，也稱積分系數;--控制器的微分時間，也稱微分系數。

在計算機控制中，需要用到數字式PID，我們將PID控制器的傳遞函數

中的微分項和積分項進行離散化處理，就可以確定PID的數字實現。

對于微分環節，應用向后差分法則有：

同樣，對積分環節有：

將他們相加得：

據此，就可以用數字計算機或微處理器來實現PID控制器[4]。

（1）位置式 PID 控制算法

按模擬PID控制算法[5]，以一系列的采樣時刻點代表連續時間，以矩形法數值積分代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：

綜合上述三個公式，可得離散式表達式：

在上列各式中，

，

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

由此可以看出位置式PID控制算法存在某些不足，因為采用全量輸出，所以輸出量均與過去的狀態相關，計算時要累加，執行機構的實際位置偏差作為計算機輸出控制量，如果溫度傳感器出現故障，可能會出現大幅度變化。的大幅度變化會引起TEC驅動模塊輸出的大幅度變化，這種情況的后果很嚴重，為避免該情況的發生，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，執行機構不是控制量的絕對值，而是控制量的增量，根據遞推原理推得：

增量式PID算法：

本文中使用的就是增量式PID控制算法。

4.實驗分析和數據

根據調整PID控制器的Ziegler–Nichols法則[6]，在純比例作用下得到臨界振蕩過程，確定臨界比例度和臨界周期的值，再根據經驗公式，計算出調節器各個參數的具體數值。同時結合4：1衰減法[7]，把積分時間放到最大，微分時間放到零。待調節系統穩定后，逐步減小比例度，觀察輸出溫度值和調節過程的波動情況，直到出現4：1衰減過程為止。記錄4：1衰減比例度和操作周期，根據經驗公式，求得調節器各個參數的具體數值，然后把三個參數加到控制器上進行控制。

當溫度設定為30℃時，上位機顯示的溫度如圖7、圖8所示。

從圖7和圖8可以看出該系統有很好的動態性能和穩態性能，其上升時間和調節時間很小，具有很小的超調量，其控制精度范圍在±0.1℃內，實驗結果表明，采用增量式PID對系統進行調節，當比例系數=1.848，積分系數=1.5E-6，微分系數 =30時，系統能夠達到最好的效果。

圖7 溫度顯示波形圖表

圖8 溫度精度圖表

5.結論

本設計從硬件構造及軟件算法介紹了基于STM32的溫度控制系統，采用PID控制數模輸出值，實現溫度的控制，提高的系統的準確性。采用兩組半導體制冷器對稱安裝的結構形式，可使半導體達到最佳的制冷效果。在調試的過程中運行穩定，抗干擾能力較強。系統采用了該系統還可以方便的應用于其他需要進行溫度精確控制的領域。

參考文獻

[1]吳建平.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[3]童漢維.半導體制冷器溫度控制系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2010.

[4]Astrom T，Halgglund C and Ho W K.Automatic tuning and adaptation for PID controllers-a survey[J].Control Engineering Practice，1993，1（4）：699-714.

[5]王偉，張晶濤，柴天佑.PID參數先進整定方法綜述[J].自動化學報，2000，26（3）：347-355.

[6]白志剛.自動調節系統解析與PID整定[M].化學工業出版社，2012.

[7]邱麗，曾貴娥.幾種PID控制器參數整定方法的比較研究[J]. 自動化技術與應用，2005，24（11）：56-59.

作者簡介：孟穎（1980—），女，碩士，實驗師，主要研究方向：自動控制技術，目標識別。