基于STM32單片機的溫度控制系統設計

賀佩

摘要：文章首先介紹了整個控溫系統的設計思路，然后從溫度采集以及邏輯控制兩個方面對其硬件部分設計進行分析，最后對系統軟件部分進行設計，最終達到提高控溫系統精度、降低損耗、提升電路工作效率及其可靠性的目的。

關鍵詞：STM32單片機;溫度控制;PID算法

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）08-0098-02

隨著當前市場經濟水平不斷提高，溫度檢測控制系統逐漸融入人們的生產生活中，極大地提高了生產、生活的效率、舒適性以及便利程度。與此同時，人們對于溫度控制系統方面的要求也在不斷提高。為進一步提高溫度控制系統的精準性以及穩定性，加強對于溫度控制系統的設計研究，因此，本文基于STM32單片機對控溫系統的設計展開詳細探討。

1 系統設計思路

溫度控制系統的溫度測量以及溫度控制的可靠性和穩定性與半導體激光器LD之間有著極其密切的關系，LD的性能不僅會受到溫度影響，而且在實際運行過程中，LD的電流以及輸出功率等都會由于發熱而導致環境溫度發生變化，進而使得LD正常運行受到一定影響。因此，在實際進行溫度控制系統設計過程中，為保障系統性能，需要通過設計一種邏輯電路實現對于控溫系統的精準控制。從PWM控制信號、EN溫控板工作控制信號和控制H橋導通的切換信號入手，在邏輯控制電路的作用下，使得輸入信號通過整流器件實現對于H橋的導通控制，以此對TEC溫度進行精準控制，這種系統設計方式能夠有效減少開關損耗，同時進一步提高控溫系統運行的可靠性。此外，在算法設計方面，由于傳統積分分離PID算法會出現震蕩情況，因此在本文所討論的系統設計當中，將其替換成為變速積分PID算法，以此確保控制曲線能夠平穩過渡，提升溫度控制系統的穩定性[1]。在此系統設計思路之下，明確了基于STM32單片機的溫度控制系統的整體設計框架，如圖1所示。

2 硬件部分設計

對于整個溫度控制系統硬件部分的設計而言，主要包括的硬件結構有熱敏電阻、上位機、STM32單片機、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;上位機的作用是進行溫度的設定;而STM32單片機則是對所采集到的溫度值與設定的溫度值進行偏差值計算，由此得到PWM信號的占空比;然后將獲得的PWM信號、RN使能信號以及SWITCH信號經由邏輯控制電路傳輸到H橋電路中，以此實現溫度的控制，其中涉及的硬件電路設計包括溫度采集電路以及邏輯控制電路兩個部分。

（1）溫度采集

溫度采集電路設計主要是通過熱敏電阻實現溫度采集的，本次硬件設計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2000℃，低溫器件適用于-273℃～-55℃，具有體積小、穩定性高的優點。溫度采集電路的主要設計內容如下：其中VDDA為2.5V，在電路中設置一個10kΩ的電阻，將其與熱敏電阻進行串聯，以此達到分壓的目的，然后將由VDDA傳出的電壓輸送到單片機中，在單片機的功能支持下，通過計算分析能夠得到熱敏電阻此時的電壓，再根據熱敏電阻生產廠家提供的電壓溫度對照表得到此時所測量的實際溫度，以此達到溫度采集的目的。

（2）邏輯控制

邏輯控制電路的主要功能是，對于由STM32單片機輸出的PWM信號、RN使能信號以及SWITCH信號進行轉化，將其輸入到H橋電路中，以此完成對于TEC的溫度控制。其中H橋導通切換信號的作用主要是控制導通的方向，以此達到加熱制冷目的;而使能信號是控制溫控板工作狀態的信號，決定其加熱或制冷功能的發揮;PWM信號則是通過占空比達到控制系統加熱或者制冷時間的目的。

邏輯控制電路示意圖如圖2所示。在實際運行過程中，當輸出的使能信號EN處于高電平狀態下時，由S輸出的Sout信號就會與PWM信號保持同步性，此時就需要由SWITCH信號決定整個控溫系統是發揮制冷功能還是制熱功能。若SWITCH信號為高電平，那么電路模擬開關當中的NO會與Sout直接導通，那么NO呈現出的就是高電平狀態，與PWM信號保持一致，而NC則為低電平，這就會使得H橋當中的TEC+呈現出高電平狀態，而TEC-為低電平狀態，以此實現溫度的提升。而當SWITCH信號為低電平時，那么電路模擬開關當中的NC會與Sout直接導通，那么NC呈現出的就是高電平狀態，與PWM信號保持一致，而NO則為低電平，這就會使得H橋當中的TEC-呈現出高電平狀態，而TEC+為低電平狀態，以此實現溫度的降低。在使能信號EN處于高電平狀態下時，控溫系統是能夠正常進行制冷或者制熱，其實際發揮控溫功能的關鍵點表現在SWITCHDE的電平高低上，因此通過對SWITCH電平的控制改變TEC-和TEC+的電平表現，進而達到控制溫度的目的。

當輸出的使能信號EN處于低電平狀態下時，此時的加熱、制冷溫度控制板處于不工作的狀態，無論SWITCH的電平如何變化，由Sout輸出的信號始終為低電平，不會受到任何影響，這就會導致由模擬開關輸出的NC和NO也始終處于低電平狀態之下，使得最終TEC-和TEC+的電平始終處于0V的狀態之下。即當使能信號為低電平狀態下時，控溫板處于停止工作狀態之下，那么此時的TEC也是無法進行運轉的。此外，由于本文所采用的H橋邏輯電路結構在實際運行過程中始終只有一半橋是處于運行狀態之下，這在一定程度上降低了系統的功耗，保障了系統運行效率[2]。

3 軟件部分設計

軟件設計方面主要包括控溫算法設計以及控溫串口上位機的軟件編寫兩個部分。

控溫算法設計方面，為改善傳統算法進行溫度控制時出現的溫度抖動問題，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取消積分作用，在偏差較小時引入積分作用，這樣在實際進行控溫的過程中就會出現溫度抖動，而變速積分PID算法則重新劃分了偏差值區間，當溫度偏差較大時，降低積分項的累加速度，以此減弱積分作用，有效緩解溫度抖動問題，而當溫度改變幅度不大時，則可以適當提高積分項的累加速度，在提高工作效率的同時，由于溫度偏差小，因此不會出現明顯的抖動情況，進一步提高了溫度控制的穩定性[3]。

變速積分PID算法的實際運行控制流程包括以下幾個步驟：第一，采集LD溫度數據;第二，對采集到的溫度數據與設定的溫度值之間的偏差進行計算;第三，判斷偏差值的大小是否在一定范圍之內，若偏差值較大，則通過變速積分算法對積分累加速度進行調節，若偏差值較小，則可以直接進行PID控制，以此完成溫度的控制和調節。在實際進行驗證的過程中，可以看出，積分分離PID算法下的溫度變化有著明顯的抖動情況，抖動范圍在2℃左右，而相比之下變速積分PID算法下的溫度變化相對較為穩定、平緩[4]。

在溫控串口上位機軟件編寫方面，需要基于上位機本身的功能需求和實際作用進行串口的設計。其上位機功能主要有串口的設置、溫度的設定、參數保存、溫控啟閉以及狀態查詢等多個功能。其中，溫控啟閉功能的實現主要通過向溫控板發送相應指令來實現功能控制;參數的保存功能是通過對STM32單片機發送相應指令，達到存儲溫度控制值的目的;查詢功能則主要包括對環境溫度的查詢、實施TEC的查詢以及設置的溫度值、溫控板狀態等方面的查詢[5]。

4 結束語

綜上所述，本文基于STM32單片機的溫度控制系統設計進行探討，在硬件方面對溫度采集電路以及邏輯控制電路進行設計分析，在軟件方面對控溫算法和控溫串口上位機進行設計，并結合傳統溫控系統中溫度大幅調整時的抖動情況以及能耗問題做出了相應改善。本文所提出的控溫系統設計不僅能夠有效保障系統工作的穩定性，而且也在一定程度上提高了系統運行效率。

參考文獻：

[1] 萬方高，盧俊宇，盧俊誠，等.淺談基于STM32單片機的智能風扇控制系統設計[J].中國設備工程，2021（13）：95-96.

[2] 楊清志，徐宏.基于STM32F407單片機的蓄電池智能監測與控制系統設計[J].東莞理工學院學報，2021，28（3）：40-45.

[3] 吳海兄，丁哲文，陳偉明，等.基于STM32的無線紅外測溫系統設計[J].電子測試，2020（19）：18-20，9.

[4] 謝凌菲.基于STM32的空間環模設備熱沉溫控系統設計[D].蘭州：西北師范大學，2020.

[5] 林學偉，嚴明忠.基于STM32單片機的智能家居控制系統設計[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2020，20（4）：35-38.

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