基于STM32的密閉系統溫度控制研究?

于佩伶 呂英俊 張廣林 劉卓偉 黃 旭

（1.山東科技大學（青島校區）電氣工程及其自動化學院 青島 266590）（2.山東科技大學（濟南校區）電氣信息系 濟南 250031）

1 引言

在半導體制造行業，溫度對產品的影響十分重要，細小的溫度變化，直接影響產品成品率。隨著半導體行業的不斷發展，半導體產品在我們的日常生活中扮演著越來越重要的作用，其品質至關重要［1］。各大半導體制造企業也早已認識到只有高品質、低成本的產品才能保證企業的持續競爭力。二十一世紀以來，信息化技術以及高集成化［2］、高自動化［3］的密閉技術的飛速進步，使得各大半導體制造企業的生產水平顯著提高，企業之間的技術差異也日益消減，市場的競爭力越來越激烈，若不能在產品的品質和成本上做出突破，必將淹沒在飛速發展的時代聲浪中。如Freescale、Infineon等大型高度自動化和高密度型的半導體芯片制造企業均提出了零缺陷目標［4］。而在生產過程中，溫度對成品品質的影響不容小視。因此，各大企業在密閉系統中對溫度的控制提出了更高的要求。

本文在采用STM32單片機系統為主控芯片構建了密閉系統溫度控制的系統框架，并運用高精度電壓溫壓芯片REF和部分調整電路，確保系統的溫度分辨率能達到預期的標準。通過MOC3021驅動雙向可控硅BTA41600B的方法達到升溫控制效果，并結合PWM控制制冷片的方式進行降溫，穩控部分運用庫函數的方式實現分段PID控制算法的閉環控制系統。

2 系統結構與工作原理

2.1 系統結構

本文所提方案采用了STM32單片機［5］系統為主控芯片，STM32內部含有2個12位μs級A/D轉換器，最多多達11個定時器（4個16位普通定時器，2個高級控制定時器，2個基本定時器，2個看門狗定時器和1個Systick定時器），同時還具有其他豐富的外設接口，可以滿足用戶多樣性的需求。在溫度控制方面，為了使系統在運行時更加的穩定可靠且精度達標，本文采用了通過控制可控硅［6］的相角來實現加熱升溫以及PWM控制直流電壓實現降溫。同時，通過實現分段PID控制算法來保證系統的精確性。

2.2 工作原理

該溫度控制系統主要是對系統內部的溫度進行精確采集，控制，儲存和顯示，圖1所示。通過高精度溫度傳感器感應系統內部溫度并進行溫度采集，采集到的電信號再經過信號處理電路的處理之后以電壓信號的方式傳送給STM32主控芯片，STM32芯片內部的12位A/D轉換器將處理過后的電壓信號轉化成為數字量［7］，通過信號傳輸模塊將處理過的數字信號實時的傳送給上位機，上位機通過清晰明了的界面將接收到的數據進行顯示，同時人性化的上位機界面也可以讓工作人員操作更加快捷便利。

圖1 系統結構

3 硬件電路設計

3.1 溫度采樣

為了使采集到的溫度信號更加精確，系統采用了橋式電路，溫度傳感器選用PT1000鉑電阻溫度傳感器。傳感器采集到的信號傳輸到由儀表運算放大器AD620和OP07組成的信號調理電路［8］。經過調理電路之后，信號被傳輸至STM32內部的12位A/D轉換器進行數值轉換。同時，采用了高精度電壓溫壓芯片REF和部分的調整電路，確保系統的溫度分辨率能達到預期的標準。電路圖如圖2所示。

圖2 溫度采集電路

3.2 升溫驅動電路

升溫控制驅動電路如圖3所示，MOC3021是即時觸發的可控硅輸出的光電耦合器［9］，MOC3021內部有一個小功率的雙向可控硅。系統采用了通過MOC3021驅動雙向可控硅BTA41600B的方法達到升溫控制效果［10］。在MOC3021中還存在一個發光二極管，可以通過發光二極管的亮暗來確認加熱控制是否輸入。加熱設備均使用220V交流供電。

圖3 升溫驅動電路

3.3 降溫驅動電路

降溫電路如圖4所示，采用了通過PWM控制制冷片的方式進行降溫，制冷片采用了12V的直流供電。PWM占空比將由PID控制算法計算得出，同時周期采用0.01s。并且降溫驅動電路采用了光耦隔離的方式隔斷電氣連接上的傳導干擾。

圖4 降溫驅動電路

4 軟件設計

由于STM32微控制器擁有的寄存器較多，以往采用的配置寄存器方法操作芯片過于復雜，雖然使用配置寄存器的方法可以更加地了解程序的流程和底層的實現，但是開發周期過長而且提高了后期移植和維護的難度。所以采用了庫函數法［11］進行嵌入式編程。為了推廣庫函數法，意法半導體公司提供了完整而細致的官方固件開發包。開發包完成了所有的底層操作，免去了配置寄存器的麻煩，從而大大提高了STM32用戶的開發編程效率。

4.1 主程序設計

主程序是軟件設計的中樞，負責整個程序的流程，系統初始化包括系統時鐘的開啟、I/O口初始化、串口和ADC的初始化，同時給出程序執行所需變量的定義，其流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4.2 PID控制算法

PID控制［12］即為按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制。PID控制的優點在于其原理通俗易懂，實現快捷方便，適用范圍廣泛，各控制參數相互獨立且參數選定沒有過多或者過于復雜的限定，與此同時，在面對控制過程中兩大典型的對象——“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象時，PID控制器也早已被證明是最優控制。因此，PID控制器是現今應用范圍最廣的自動控制器。

該系統升溫和降溫部分均采用PID控制算法。經過計算和結果驗證，在升溫控制算法中將電壓的有效值作為PID控制量，在降溫控制算法中將PWM作為控制量。同時，該溫控系統為閉環控制系統，因此采用PID增量型控制算法。數字PID增量控制算法的表達式如下所示。

其中，e(k-1)與e(k-2)分別代表一階滯后與二階滯后，KP為比例系數；KI=KPT/TI為積分系數；KD=KPTD/T為調整系數。

5 功能測試

為了驗證本研究所提出的基于STM32的密閉系統溫度控制有效性，課題組所購煎炸油構造油封無氧的密閉系統，鑒于煎炸油溫度的10℃～200℃中均為液體狀態，因此重點檢測了溫度控制系統在各溫度界定值處的準確度和誤差精度。測量電路實物如圖6所示，其中USB充電電路可微制冷片提供12V的直流供電。

系統經過軟硬件調試后，能正常實現溫度的采集，控制，監控。溫控系統實驗結果如表1所示。

圖6 電路實物圖

表1 控溫系統實驗結果

圖7 實驗數據采樣圖

根據表1所示實驗結果進行分析，得到圖7，可以看出溫控系統在10℃～140℃內，控溫最大誤差在0.7℃，小于1℃，誤差率在0.1%～3.5%，小于4%，當溫度設定值達到60℃以上時，誤差率均低于1%，滿足設計需求。

6 結語

本文設計了一種密閉系統內部的溫度控制系統，采用了高性能的STM32F103ZET6作為主控芯片，硬件電路結構簡單，采用了兩種不同的方案實現控溫的上升和下降，同時也采用了如高精度電壓溫壓芯片REF和光耦隔離等方式，簡化電路的同時屏蔽了干擾，提高了系統的穩定性。軟件方面，通過庫函數的方式實現分段PID控制算法，大大提高了溫度控制的精確度和可靠性。

參考文獻

［1］邵虹幃，朱凌云.基于模糊PID的染色機溫控系統設計［J］.石油化工自動化，2017，53（06）：28-32.

［2］Kurita K L，Glassey E，Linington R G.Integration of high-content screening and untargeted metabolomics for comprehensive functional annotation of natural product li?braries［J］.Proceedings of the National Academy of Sci?ences，2015，112（39）：11999-12004.

［3］Lansaat L，de Kleijn B J，Hilgers F J M，et al.A prospec?tive multicenter clinical feasibility study of a new automat?ic speaking valve for postlaryngectomy voice rehabilitation［J］. European ArchivesofOto-Rhino-Laryngology，2017，274（2）：1005-1013.

［4］端點星.半導體芯片工藝節點演變路徑分析［J］.集成電路應用，2017，34（10）：53-60.

［5］王豐元，鐘健，楊立超，等.基于STM32單片機的卡車制動器溫度無線監測系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2017（06）：65-69.

［6］王坤，安寧.大功率可控硅整流柜的散熱分析與計算［J］.機電信息，2017（36）：136-137.

［7］王勤湧，許明海，章雙磊.基于STM32的多網絡人防警報終端設計［J］.計算機測量與控制，2016，24（01）：237-239.

［8］韓冬.氮氧化物檢測傳感器信號處理裝置設計［J］.電子世界，2017（15）：121-122.

［9］杜言魯，丁亞林，許永森，等.機載光電平臺隔振系統振動 耦 合 分 析［J］.中 國 機 械 工 程 ，2015，26（21）：2880-2884.

［10］王西亞.直線式空調壓縮機控制系統的研究設計［J］.自動化與儀器儀表，2017（09）：111-113.

［11］張辛，郭紹忠，曹代，等.國產CPU基礎數學庫函數測試數據生成研究［J］.信息工程大學學報，2017，18（02）：227-230，235.

［12］張金玲，蘇海軍，傅正財.基于ARM的無位置傳感器BLDCM控制系統設計［J］.電氣自動化，2017，39（06）：85-87，90.