第 50 卷 第 1 期 激 光 与 红 外 Vol． 50，No． 1 2020 年 1 月 LASEＲ ＆ INFＲAＲED January，2020 文章编号:1001 － 5078(2020)01 － 0107 － 04 ·电子电路· 基于 STM32 的高精度温度控制系统设计 聂 宵，徐广平，房孝俊 (华北光电技术研究所，北京 100015) 摘 要:设计一种使用 STM32单片机来控制半导体制冷器 TEC实现高稳定度、高精度温度控制系 统，整个温度控制系统主要包括:STM32单片机最小系统、温度控制模块、温度控制串口上位机、PID 算法、TEC等。通过对温度控制模块进行改良，来降低开关损耗，提升电路的工作效率以及可靠性， 同时将积分分离 PID算法改进为变速积分 PID算法，实现稳定、高精度的温度控制。 关键词:STM32 单片机;温度控制;温度控制串口;变速积分 PID算法 中图分类号:TN242 文献标识码:A DOI:10． 3969 / j． issn． 1001 － 5078． 2020． 01． 020 Design of high precision temperature control system based on STM32 NIE Xiao，XU Guang － ping，FANG Xiao － jun (North China Ｒesearch Institute of Electro － Optics，Beijing 100015，China) Abstract:A temperature control system with high stability and precision is designed by using STM32 MCU to control TEC of semiconductor refrigerator． The whole temperature control system mainly includes:STM32 MUC minimum sys- tem，temperature control module，temperature control serial host computer，PID algorithm，TEC and so on． By impro- ving the temperature control module，the switching loss can be reduced and the working efficiency and reliability of the circuit can be improved． At the same time，the integral separation PID algorithm is improved to variable speed integral PID algorithm to achieve stable and high precision temperature control． Keywords:STM32 MCU;temperature control;temperature control serial port;variable speed integral PID algorithms 作者简介:聂 宵(1992 －) ，男，硕士研究生，研究方向为激光测距。E － mail:609015749@ qq． com 收稿日期:2019 － 08 － 22 1 引 言 由于半导体激光器 LD 的工作性能受温度变 化的影响很大，当 LD在工作的时候，LD 的电流阈 值、最大输出功率和最小功率波动都会受到自身 在工作时会产生热量和环境温度而发生变化，导 致激光器内部的温度可能发生比较大的改变，从 而影响激光器的正常工作［1 － 2］。因此需要能给 LD 提供高精度、恒定的温度控制来使其稳定的工作。 通过提出一种逻辑电路将 PWM 控制信号、使能信 号 EN(控制温控板是否工作)以及 H 桥导通切换 信号(控制 H桥中的 MOS管导通)作为输入，输入 信号经过逻辑变换后输入到整流器件来控制 H 桥 的导通，从而改变 TEC 两端电流大小与电流方向 来控制 TEC 温度的加热或制冷，这种逻辑电路可 以降低开关损耗、提高工作效率以及可靠性。在 PID算法设计中使用变速积分 PID 算法相较于积 分分离 PID 算法其优点在于控制曲线过渡平稳， 没有出现振荡，而且其过渡过程时间减少，对超调 量的改善也比较明显［3］。因此本次设计通过使用 变速积分 PID 算法来替代之前使用的积分分离 PID算法和温度模块的改良来实现达到高稳定性、 高精度的温度控制。 2 实验方案 2． 1 硬件设计 基于 STM32 的高稳定性、高精度温度控制系统 的电路整体框图如图 1 所示。使用热敏电阻完成 LD的温度采集，通过上位机完成 LD 的温度设定， 再由 STM32 单片机将采集到的 LD 温度值与 LD 温 度的设定值偏差值经 PID 计算后得到 PWM 信号的 占空比的值，PWM的频率为 50 kHz，将 PWM 信号、 使能信号、H桥导通切换信号经过逻辑控制电路后 产生的信号送到 HIP2101 来驱动 H 桥来使半导体 制冷器 TEC 的升温与降温，达到使 LD 的温度高稳 定性且精度高地控在设定温度值。 图 1 基于 STM32 的高精度温度控制系统整体框图 Fig． 1 Overall block diagram of high precision temperature control system based on STM32 2． 1． 1 温度采集电路 温度采集电路如图 2 所示，使用热敏电阻采集 温度，其灵敏度较高、工作温度范围广、体积小、稳 定性好、过载能力强。在温度采集电路中，VDDA 为 2． 5 V，用 1 个 10 kΩ 的电阻和热敏电阻 ＲT 分 压，得到的电压送入到单片机 STM32F103ＲCT6， 用单片机内部分辨率为 12 位的 A /D 进行转化得 到当前温度下的热敏电阻 ＲT 的电压，再根据厂家 提供的温度 － 电压表格进行查表得到所测量的 TEC 温度。 2． 1． 2 逻辑控制电路 逻辑控制电路中 H 桥导通切换信号主要是控 制 H桥的不同方向的导通从而来实现 TEC 的加热 与制冷、使能信号主要是控制温控板是否工作，从而 控制 TEC 的加热或制冷、PWM 信号的占空比决定 加热制冷的时间。图 3 是逻辑控制电路框图;图 4 是 NMOS管构成的桥。 图 2 温度采集电路 Fig． 2 Temperature acquisition circuit 图 3 逻辑控制电路框图 Fig． 3 Logic control circuit block diagram 图 4 由 NMOS管构成的 H桥 Fig． 4 H － bridge composed of NMOS transistors 当使能信号 EN为高电平时，那么与门 S 的输出 Sout的信号与 PWM信号是相同的，通过 SWITCH的 电平来确定 TEC是加热还是制冷。当 SWITCH为高 电平时，图 3 中的模拟开关 NO 管脚与 Sout 导通则 NO为 PWM信号，NC则是低电平，NO的信号经过 H 桥驱动电路处理后能够使 H桥中 Q6 导通，Q5 截止， 而 NC的低电平经过H桥驱动电路处理后导致 Q1导 通，Q2截止，此时的 H 桥中 TEC +为高电平，TEC － 为低电平;当 SWITCH 为低电平时，模拟开关 NC 管 脚与 Sout导通则 NC为 PWM信号，NO则是低电平， 801 激 光 与 红 外 第 50 卷 NO经过 H桥电路处理后能够使 Q2 导通，Q1 截止， 而 NO则最终导致 Q5 导通，Q6 截止，此时的 H桥中 TEC －为高电平，TEC +为低电平。使能信号为高电 平时，温控板是正常工作的，通过 SWITCH 的高低电 平切换，改变 TEC +与 TEC －之间的导通方向从而实 现 TEC的加热或制冷。 当使能信号 EN 为低电平时，那么 Sout的信号始 终为低电平，送入到模拟开关，无论 SWITCH 的电平 为高或低，NC与 NO管脚的信号始终为低电平，低电 平经过门电路处理后送入 H 桥驱动电路中使 Q1 与 Q5是导通的，Q2与 Q6是截止的，则 TEC +与 TEC － 都为0 V，因此使能信号为高电平时，温控板是停止工 作的，TEC也不会工作。 由于逻辑控制电路控制的 H 桥相较于全桥芯 片，在工作的过程中 H 桥只有一个半桥在工作，从 而降低功耗，提高工作效率和稳定性。 2． 2 高精度、高稳定性的温度控制系统软件设计 温度控制中使用的积分分离 PID 算法进行控 温，该算法在温度与设置温度的偏离较大时，取消积 分作用，只有在温度偏差较小的时候引入积分作用， 这样在实际温控过程中会出现温度抖动。而本次设 计使用变积分 PID算法进行控温，主要是改变积分 项的累加速度，当温度偏差比较大时，使积分慢一 点，积分作用相对弱一点，温度偏差比较小时，使积 分快一点，积分作用相对强一些。变积分 PID 算法 的表达式: U( )k = Kp × e( )k + Ki ∑ k－1 j =0 e( )j + f e( )( )k × e( ){ }k + Kd × e( )k － e k －( )( )1 (1) f e( )( )k = 1 a － e( )k + b a 0 e( )k ≤ b b ＜ e( )k ≤ a + b e( )k ＞ a + b (2) 式中，( )e k 为偏差值。 变速积分 PID算法控制流程图如图 5 所示。使 用变速积分 PID算法进行控温可以高精度、稳定的 将温度控制在设定值。 2． 3 温控串口上位机软件编写 针对高精度温度控制系统的通信协议设计一款 温度控制串口上位机进行控温调试。温控串口的设 计是在
VC + + 6． 0 下使用微软提供的一个多线程 串口编程工具 CSerialPort类来完成的［4］。温度串口 上位机主要功能包括串口设置、设置温度、保存设置 温度的参数、打开 /关闭温控、以及查询温控源和串 口状态显示。打开 /关闭温控主要是发送相关指令 控制温控板使能端来控制其是否处于工作状态;保 存参数主要是发送指令到 STM32 来存储设置的温 度值;查询温控源主要是查询环境温度、实时 TEC 温度、设置温度值、温控状态(打开温控显示 1;关闭 显示 0)、到温状态(当 TEC 的温度达到设置温度的 ± 1 ℃时显示 1，否则为 0)。温控串口上位机界面 (查询常温状态下)如图 6 所示。 图 5 变速积分 PID算法控制流程图 Fig． 5 Flow chart of variable speed integral PID algorithm control 图 6 温度控制串口上位机 Fig． 6 Temperature control serial port pc 3 实验结果 把积分分离 PID 算法与变速积分 PID 算法在 Matlab仿真下的结果作对比，在设被控对象为一个延 时对象:G( )s = e－80s 60s + 1，采样时间为 20 s，积分分离 PID中在 Kp = 1，Ki = 0． 045，Kd = 3． 0，当 | e(k)|小于 等于 20的时候引入积分项，其他时候就没有积分项; 在变速积分 PID算法中 Kp =0．045，Ki =0． 048，Kd =12， 901激 光 与 红 外 No． 1 2020 聂 宵等 基于 STM32 的高精度温度控制系统设计 a =10，b =40;两种算法的输出限制为［－110，110］。分 别对两种算法做出仿真，如图 7和图 8所示。 图 7 积分分离 PID算法的 Matlab仿真 Fig． 7 Matlab simulation of integral separation PID algorithm 图 8 变速积分 PID算法的 Maltab仿真 Fig． 8 Matlab simulation of variable speed integral PID algorithm 由上图可以知道积分分离 PID算法在调节过程 中会出现振荡，而且过渡控制时间长一些，相比较而 言变速积分调节质量更高一点，将变速积分 PID 算 法与积分分离 PID算法应用到实际的温控设计中， 利用温度控制串口上位机分别对两种算法设置不同 的温度。图 9 中利用变速积分 PID 算法将 TEC 的 温度由 32 ℃控到 18 ℃，而图 10 中利用积分分离 PID算法将温度由 26 ℃控到 42 ℃，由两个算法分 别采集到的数据可以看出，在实际过程中积分分离 PID算法在控温过程中会发生温度抖动的情况，温 度抖动会有 2 ℃左右的差别，而变速积分 PID 算法 在控温过程中能稳定的到达控制温度。 图 9 使用变速积分 PID算法采集的温度变化 Fig． 9 Temperature change acquisition using variable speed integral PID algorithms 图 10 用积分分离 PID算法采集的温度变化 Fig． 10 Temperature change acquisition using integral separation PID algorithms 4 结 论 本次温度控制的设计使用逻辑控制电路代替专 用的全桥整流芯片，将单片机产生的 PWM 信号、温 控板的使能信号、H 桥导通切换信号配合逻辑电路 实现控制 TEC的加热和制冷，使得电路在工作过程 中 H桥仅有一个半桥在工作，使得系统电路功耗降 低，效率提高。在 PID算法上，由于积分分离 PID算 法在系统中进行控温时会在温度控制过程中出现温 度抖动，所以采用变速积分分离 PID 算法使在控温 过程中温度能够平稳、高精度地达到设定温度。 参考文献: ［1］ XU Guangping，FENG Guoxu，GENG Lin． Temperature control of high density TEC based on MCU operation［J］． Laser ＆ Infrared，2009，39(3) :254 － 256．(in Chinese) 徐广平，冯国旭，耿林．基于单片机控制的高精度 TEC 温控［J］．激光与红外，2009，39(3) :254 － 256． ［2］ CUI Guodong，LV Weiqiang，ZHENG Yi． Design of tem- perature control system of high power semiconductor laser ［J］． Laser ＆ Infrared，2015，45(5) :568 － 570．(in Chi- nese) 崔国栋，吕伟强，郑毅．大功率半导体激光器温度控制 系统的设计［J］．激光与红外，2015，45(5) :568 － 570． ［3］ DONG Haiyun，XIAO Hang． Ｒesearch on the comparation between PID algorithm of integral separation and PID al- gorithm of alteration in rate［J］． Electronic Instrumenta- tion Customer，2009，2(2) :79 － 80．(in Chinese) 董海云，肖航． 积分分离与变速积分 PID 算法的比较 研究［J］．仪器仪表用户，2009，2(2) :79 － 80． ［4］ GONG Jianwei，XIONG Guangming． Programming practive of Visual C + + /Turbo C serial communication［M］． Bei- jing:Electronic Industry Press，2004．(in Chinese) 龚建伟，熊光明． Visual C + + /Turbo C 串口通信编程 实践［M］．北京:电子工业出版社，2004． 011 激 光 与 红 外 第 50 卷
