基于STM32半导体制冷片温控系统的设计

孟颖 张贵阳 魏晓马 武宇欣 汪磊 窦成林

【摘要】激光器的工作温度至关重要，该设计用于激光器工作温度调节模块，以提高激光器的稳定性能。本文以STM32F303为控制芯片， 采用TEC为制冷元件，通过采集温度并模数转换传给上位机，上位机程序控制STM32的数模输出控制TEC的加热或制冷，同时以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统。实验结果表明，通过PID算法调节，半导体制冷温度控制系统能够为激光器提供所需的工作温度，精度可达到±0.1℃。

【关键词】温度控制;STM32;A/D D/A;PID算法;LabVIEW

1.前言

温控系统受环境温度影响较大，因为温度调节过程中惯性大，对于温度上升或下降的有效快速调节是难题，目前我们熟知的温控系统都存在成本高或精度低及灵活性差的缺点。针对这些问题本系统在工作过程中可以随时切换极性，从而完成对设定温度值的精确控制。

2.硬件系统设计

本设计通过HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器连接pt100将采集到的温度传给STM32单片机，STM32将采集到的温度值模数转换后传给上位机显示，并将采集温度值记为sp，将当前温度值sp减去设定值ap后给PID控制器，STM32根据PID的输出信号m（t）进行数模转换并输出给TTC-DS驱动模块，TTC-DS驱动模块控制TEC工作.

2.1 测量部分：

采用Pt100和HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器，输出信号是电压信号，其工作电压是±24V，输出是0-5V，对应的温度范围是-40-100℃，温度与电压呈线性关系，，其采集精度可达到0.05℃。

pt100是一种稳定性高和性能良好的温度传感器，工作范围-200℃至650℃。pt100是电阻式温度检测器，具有正电阻系数，其电阻和温度变化的关系如下：，其中=0.00392，为100（在0℃的电阻值），为摄氏温度[1]。传感器型变送器通常包含信号转换器与传感器两部分。测量单元、信号处理和转换单元是信号转换器的主要组成部分。为得到由温度值转换的电压值，将pt100与温度变送器连接，温度变送器具有两个测量温差的传感器，输出信号与温差之间有具体的比列关系，能将普通电信号或物理信号转换为能够以通讯协议方式输出或标准电信号输出。电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号，连续输送到接收装置。我们采用的是输出为标准电压的变送器，温度采集信号的处理电路如图1所示。

图2 电源电路图

2.2 TEC制冷片

半导体制冷又叫做热电制冷、电子制冷或者温差电制冷。半导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法，利用帕尔贴效应的原理达到制冷目的。

其发展起源于塞贝克效应的提出，两种不同材料a和b的接触点处于不同的温度T1和T2，在断点处就会产生电势Vab[2]，如图2所示。

并且塞贝克得出，在一定温度范围内的大小与温度差成正比，它们的比例系数用表示，则：

a对b的电势与温差的比例系数，称为相对塞贝克系数。当取两种同质材料时，他们的电动势相消，可以把它们的贡献分开

这样，每种材料都有各自的塞贝克系数，称为绝对塞贝克系数。帕尔帖发现了与之相反的效应，即帕尔帖效应：当电流I通过两种异质材料构成的闭合回路时，在材料的一端衔接处吸收热量，另一端放出热量。这种吸收或放出的热量称为帕尔帖热，电流的方向决定其是否吸热或放热，大小由公式给出。为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，是组成回路的两种材料的温差电动势率， 为衔接处温度。

本系统所选用的TEC1-12715半导体制冷片，属于大功率制冷片，该致冷片工作在一面致冷一面发热的模式，在其工作时必须确保制冷片热面良好散热。两面的温差将影响制冷片的效率[3]。

图3、图4是本系统采用的TEC电压、电流及功率之间与TEC两面温差的关系图。

2.3 TEC 驱动器

我们采用型号为TTC-DC15-10A12V-DS（简称 TTC-DS）的驱动模块，其输入直流 电压是15V（电流由TEC决定），输出双极性电压±12V，最大电流10A（见图5）。

各引脚功能如下：

PIN7：保险丝状态输出。低电平=ERROR，高电平=OK

PIN6：驱动器输出电压控制端。直流 0-2.4V，控制驱动器输出0-12V（或者其他）

PIN5：驱动器使能输入。低电平使能，常态=OFF。

PIN4：驱动器极性切换。高电平=制冷，低电平=加热。

PIN3：TEC 电流监视输出，0-2.4V（或者其他）。

PIN2：TEC 电压监视输出，0-2.4V（或者其他）。

PIN1：GND，接地回路。

3.软件和算法

本系统中，TEC的额定电流不超过15A，我们控制在10A以下，在程序执行的过程中不断对电流进行判断。当采集回来的温度值与设定值不相等时，通过PID控制器控制STM32的数模输出，实现动态闭环控制，从而达到温控的目的。

软件流程图如图6所示。

PID算法：

PID是常用的控制器，由于环境因素的干扰，该系统需要进行闭环控制，要想达到现场控制目标的恒定，整个过程的控制和调节就必须不断进行。如果周围温度与激光器功率发生变化，温度传感器元件就会将变化值采集送至PID控制器的输入端，并与设定值进行比较得出偏差，调节器按照偏差值并同预先设定的整定参数作用后发出控制信号，由此改变调节器，使温度趋向于设定值，达到温控的目的。

PID具有比例加微分加积分的控制作用，控制偏差作为PID控制的输入，由给定值与实际输出值所构成，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。PID控制器的控制规律可以表示为：

其中：--控制器的比例系数;--控制器的积分时间，也称积分系数;--控制器的微分时间，也称微分系数。

在计算机控制中，需要用到数字式PID，我们将PID控制器的传递函数

中的微分项和积分项进行离散化处理，就可以确定PID的数字实现。

对于微分环节，应用向后差分法则有：

同样，对积分环节有：

将他们相加得：

据此，就可以用数字计算机或微处理器来实现PID控制器[4]。

（1）位置式 PID 控制算法

按模拟PID控制算法[5]，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以矩形法数值积分代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：

综合上述三个公式，可得离散式表达式：

在上列各式中，

，

、分别为第和第时刻所得的偏差信号，为采样周期，为采样序号， =1，2，3，4……。

由此可以看出位置式PID控制算法存在某些不足，因为采用全量输出，所以输出量均与过去的状态相关，计算时要累加，执行机构的实际位置偏差作为计算机输出控制量，如果温度传感器出现故障，可能会出现大幅度变化。的大幅度变化会引起TEC驱动模块输出的大幅度变化，这种情况的后果很严重，为避免该情况的发生，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，执行机构不是控制量的绝对值，而是控制量的增量，根据递推原理推得：

增量式PID算法：

本文中使用的就是增量式PID控制算法。

4.实验分析和数据

根据调整PID控制器的Ziegler–Nichols法则[6]，在纯比例作用下得到临界振荡过程，确定临界比例度和临界周期的值，再根据经验公式，计算出调节器各个参数的具体数值。同时结合4：1衰减法[7]，把积分时间放到最大，微分时间放到零。待调节系统稳定后，逐步减小比例度，观察输出温度值和调节过程的波动情况，直到出现4：1衰减过程为止。记录4：1衰减比例度和操作周期，根据经验公式，求得调节器各个参数的具体数值，然后把三个参数加到控制器上进行控制。

当温度设定为30℃时，上位机显示的温度如图7、图8所示。

从图7和图8可以看出该系统有很好的动态性能和稳态性能，其上升时间和调节时间很小，具有很小的超调量，其控制精度范围在±0.1℃内，实验结果表明，采用增量式PID对系统进行调节，当比例系数=1.848，积分系数=1.5E-6，微分系数 =30时，系统能够达到最好的效果。

图7 温度显示波形图表

图8 温度精度图表

5.结论

本设计从硬件构造及软件算法介绍了基于STM32的温度控制系统，采用PID控制数模输出值，实现温度的控制，提高的系统的准确性。采用两组半导体制冷器对称安装的结构形式，可使半导体达到最佳的制冷效果。在调试的过程中运行稳定，抗干扰能力较强。系统采用了该系统还可以方便的应用于其他需要进行温度精确控制的领域。

参考文献

[1]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[3]童汉维.半导体制冷器温度控制系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，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]王伟，张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，26（3）：347-355.

[6]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].化学工业出版社，2012.

[7]邱丽，曾贵娥.几种PID控制器参数整定方法的比较研究[J]. 自动化技术与应用，2005，24（11）：56-59.

作者简介：孟颖（1980—），女，硕士，实验师，主要研究方向：自动控制技术，目标识别。