基于STM32的PID温度控制系统设计外文翻译资料

 2022-08-12 15:19:01

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基于STM32的PID温度控制系统设计

摘要 以STM32单片机为核心，采用比例-积分-微分(PID)控制算法，设计了一种快速、高精度的温度控制系统。该温度控制系统可应用于对温度控制的响应速度和精度要求较高的领域。 系统中的温度采集电路采用 PT1000电阻温度计作为温度传感器。通过该采集电路，将监测到的实际温度信号转换成电压信号，传输给单片机。 将TLP521-1光电耦合器与BD237功率晶体管匹配，驱动FTA951模块中的热电制冷器(TEC)。 利用单片机产生的脉宽调制PWM)信号控制热电偶的有效电功率。 根据实际监测温度与设定温度的差异，采用PID算法实时调整 PWM信号参数。 上位机通过串口输入设定温度并监控系统运行状态。 应用实验结果表明，该温度控制系统结构简单，响应速度快，稳定性好，温度控制精度高，误差小于plusmn;0.5℃。

1.简介

温度作为工业生产[1]和科学实验[2]中的一个重要参数，需要高精度的快速测量和控制。否则，明显的温度误差将对整个测量系统的性能和精度产生不利影响[3] ，特别是在现代仪器领域。 例如，通过提供一个高精度、快速响应的恒温环境，正确地获得LED光源的加速寿命预测[4]和光电热特性[5]是非常重要的。 另外，光纤陀螺(雾)的核心部件对环境温度也很敏感[6] ，温度的微小变化会引起雾的零点漂移，因此有必要提供精确的温度控制或温度补偿[7]。 大量的实际应用表明，一种快速、高精度的温度控制系统是值得进一步研究的。

传统上，模拟电路用于温度控制在大多数情况下。 该电路通常选用电磁继电器来控制加热模块和冷却模块之间的切换，以及控制两个模块的工作时间和频率，以实现恒温。 但该方法存在温度控制精度低、惯性大、表观滞后、电路设计复杂等缺点。 此外，它还具有温度均匀性、稳定性和响应速度等方面的不足[8]。

本文采用热电制冷器(TEC) ，提供了一种在加热和制冷之间进行工作方式切换的新方法。 通过调节脉宽调制(PWM)信号的脉宽比，可以调节热电偶驱动电压的有效加热或冷却电功率。 采用比例-积分-微分(PID)算法对PWM信号进行自动控制。 为了提高温度测量精度，采用无源滤波器降低了温度采集电路的电压纹波。

采用STM32单片机作为控制单元（MCU），构建了一个快速、高精度的温度控制系统，并采用PID算法。最后通过应用试验对温度控制的响应速度和稳定精度进行了评价。

2.样例的结构设计和温度控制系统的总体设计

2.1样品架的结构设计

一般来说，温度控制系统需要在样品架上安装加热、冷却和恒温的工作模式。 FTA951加热和冷却模组，如图1所示，被选为执行单位的温度控制。FTA951模块中的TEC在正向直流电流的作用下，能够实现样品保持器的冷却模式，并能迅速降低样品保持器的温度。 采用反向电流驱动半导体时，可在短时间内实现加热模式，提高样品保持器的温度。 由于FTA951模块采用了抗震、抗冲击设计，因此具有较高的工作可靠性。 有一个平面样品架，用于在半导体的一侧安装测试样品。在TEC的另一侧，安装了带风扇的散热器，以提高加热和冷却效率[9]。

样品架需要用高热导率的铜材料制成。 在样品架上设有两个探头孔，通过这两个探头可以将温度传感探头送到中心位置。 一个探头孔非常接近样品架的表面，定期给出实际温度T1的反馈。另一种是非常接近TEC，通过采集参考温度 T2来判断样品保持器是否处于热稳定状态。

为了使样品架的实际温度 T1快速达到设定温度T0而不出现明显的超调，当 T1与T0之间有较大的差异时，TEC的有效功率较高，当T1接近T0时，有效功率相应下降，当T1达到T0时，有效功率降低到维持温度微小波动的水平，并长时间维持T1在T0左右。只有当T1和T2之间的差值小于0.5℃时，样品保持器的温度才被认为处于热稳定状态。

2.2温度控制系统总体设计

温度控制系统的总体设计框架如图所示。设计了温度采集电路，将温度信号转换为放大的电压信号。采用STM32作为单片机，通过RS232串行口获取PC软件给出的设定温度T0，并通过温度采集电路定期监测样品架目前的实际温度 T1。每次捕获T1后，单片机立即计算T1和T0之间的温差。 在温控执行电路中，单片机可以根据温差的正负值自动控制电磁继电器的引脚开关，调节电流方向，实现加热和冷却之间的工作方式切换。另外，根据温差的绝对值，单片机运用数字PID算法实时调整PWM信号的脉宽比，通过温度控制电路[10]控制TEC的有效功率。 最后，利用温差动态调节热电偶的有效功率，使样品保持器的温度精确地保持在设定温度T0左右。在控制过程中，通过RS232串口将所有温度数据及时发送到PC软件，并在PC软件上显示当前的实际温度值及其变化曲线。

温度控制系统主要提供一个强制性的稳定环境温度，以满足LED光电热性能稳态测量的要求。当样品保持器的温度从20 °C上升到80 °C或从80 °C下降到20 °C时，测量设定温度应连续可调，覆盖20 °C - 80°C范围，达到目标温度热稳定状态的时间应小于140s，以保证温度控制的快速响应速度。 在热稳定状态下，样品保持器的实际温度与设定温度的最大误差应小于plusmn;0.5 °C。

3．温度控制系统电路设计

3.1温度采集电路

温度采集电路主要用于对样品保持器的实际温度进行实时采集和反馈。 电路采用PT1000铂热敏电阻作为温度传感器。Pt1000的电阻温度系数(TCR)为0.003851C-1，温度传感器的精度范围为plusmn;0.05 °C 至 plusmn;0.5°C，具有电气性能稳定、耐振动、可靠性好、精度高、灵敏度高、寿命长等优点，可以满足温度采集电路的设计要求。共模抑制比(CMRR)通常定义为作用在系统上的共模干扰信号与系统需要的不同模式信号之比，以获得相同的输出。 较高的CMRR意味着系统具有较强的抗干扰能力。AD8221是一款增益可编程的高性能放大器，具有卓越的共模抑制比性能。当增益为1时，AD8221可以保持每个电平的最小共模抑制比比为80dB，直到频率达到10KHZ，从而可以有效地抵抗共模干扰，非常适用于差分输入的传感器接口电路。此外，AD8221还具有低电压偏置、低偏置漂移、低晶粒漂移和高增益精度等特点，是桥式信号调理等直流性能应用的理想选择。 因此，该电路采用Pt1000和AD8221分别实现温度信号的采集和放大。

温度采集电路，如图所示，主要由H桥电路和带无源滤波器的差分运算放大电路组成。在图中，P1是连接 Pt1000温度传感器的终端。当Pt1000在冰水混合物中(0 °C)时，通过调节可调电阻RP4的实际电阻，使AD8221的输出电压等于0V，修正温度，使 Pt1000的电阻随温度升高而增大，从而改变 H桥电路的分压。 因此，AD8221的 IN和-IN之间的电压差也相应地改变。 差动增益可以通过高精度辅助R21获得。 放大后的输出电压 Vout 输入单片机的模拟数字转换器并转换成温度值。 该电路采用无源滤波器，尽可能降低射频能量，抑制放大器前的射频干扰。 良好的射频干扰抑制可以平衡各输入端与地端之间的交流信号，并在测量带宽内获得足够高的输入阻抗，从而保持输入信号源的负载能力。

3.2温度控制电路

设计了温度控制电路，接收单片机发出的控制信号，驱动电磁继电器或固态继电器。 电磁继电器电路和固态继电器继电器电路具有相同的拓扑结构，如图4 所示，但功能不同。 前者可以接收单片机发出的加热或冷却信号，控制电磁继电器的导通引脚，调节电流方向，实现加热和冷却之间的工作方式切换。另一种是在恒定的加热或冷却状态下，接收单片机PID算法计算出的PWM信号，控制固态继电器的开关频率，实现TEC的有效功率调节和高精度的温度控制。 该电路采用TLP521-1光电耦合器传输控制信号，输入输出隔离性能好，抗干扰能力强。BD237功率晶体管具有寄生电容低、通态压降小、易于集成等优良的工作性能。 采用TLP521-1和BD237作为继电器的主要驱动器件，满足了电路设计的要求。

温度控制电路的工作原理如下。 当单片机的PA2引脚MCU输出高电平信号时，光电耦合器I4处于关断状态。 因此，功率晶体管Q1被切断，继电器处于关闭状态，TEC停止工作。当PA2引脚输出低电平信号时，光电耦合器I4处于接通状态。相应地，功率晶体管Q1导通，继电器处于接通状态，TEC开始工作。 与继电器并联的二极管D2的负极与直流电源的正极相连。 继电器线圈断电时，二极管为线圈中的电流提供通路，线圈与二极管组成的电路中余能被轻微消耗，克服了反电动势对电路的不利影响。

3.3温度控制执行电路

如图5所示，温度控制执行电路主要包括:FTA951加热和冷却模块(带TEC)、直流电源、电磁继电器(SL-KE)和固态继电器(LGD)。FTA951模块是执行装置。直流电源为TEC和继电器提供电能。电磁继电器和固态继电器相互配合，分别控制热电偶的加热或冷却方式和有效功率，实现精确的温度控制。

电磁继电器通过接收温度控制电路发出的信号，控制热电偶加热和冷却之间的工作方式切换。当电磁继电器的线圈被激励时，继电器的常闭触点可以被打开。相应地，TEC具有反向电流并执行加热模式。 当线圈断电时，它的正常闭合触点会重置。 相应地，TEC具有正向电流并执行冷却模式。 该固态继电器具有控制电压3-32VDC、负载电压5-200VDC 和开关时间le;10ms 的工作性能，满足最小PWM周期大于500ms、输入直流控制电压12V和输出直流负载电压12V 的设计要求，采用PID算法实时调节PWM信号的脉宽比，实现了对固态继电器的快速开关控制，控制了加热或冷却方式的执行时间，即可根据加热或冷却方式调节TEC的有效功率。

4.软件设计

软件控制流程图载于图6。 系统启动后，软件首先初始化系统时钟、定时器、串口和PID参数等。 其次，用户在软件中输入设定温度T0进行温度控制，温度传感器实时反馈当前样品保持器的实际温度T1。 在控制过程中，实时比较 T0和 T1。如果T0gt;T1，单片机发出加热信号。相反，单片机发出冷却信号。 如果T0近似等于T1先前的信号状态保持不变。通过PID算法计算得到PWM信号的脉宽比。T0和T1之间的温差越大，PWM信号的脉宽比越大，高电平在PWM周期内持续时间越长，可以迅速提高或降低样品保持器的温度。 当T1接近T0时，脉宽调制的脉宽比逐渐下降，以避免温度过冲。当T1达到T0时，脉宽调制的脉宽比保持在一个很小的值，使样品保持器的温度在设定温度下保持稳定。

5.PID算法及其参数整定

PID算法是一种具有可预见性的控制算法。对于被控对象，PID算法不仅要考虑其当前状态值，还要考虑其过去时间的历史状态值和未来时间的近似状态值[11]。 这三种值共同决定了当前的输出控制信号。PID算法的计算结果是用于调节被控对象的操作数，如加热器的不同功率、阀门的开度等。通常以 PWM信号的形式输出，根据需要改变输出控制信号的脉宽比，满足设计要求。 图7是PID控制原理图。用户在PC软件上给出设定温度T0后，PID算法立即运行，实时读取被控对象当前实际温

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