本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（2021届）

一、外文资料译文：

基于STM32的PID温度控制系统设计

关键词：无

摘要：采用以STM32为单片机的比例积分导数(PID)控制算法，设计了一种快速、高精度的温度控制系统)。温度控制系统可应用于对温度控制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，可以将监测的实际温度信号转换为电压信号并传输到单片机中。与BD237功率晶体管匹配的TLP521-1光电耦合器用于驱动FTA951模块中的热电冷却器TEC。利用单片机产生的脉宽调制(PWM)信号控制TEC的有效功率。根据实际温度与设定温度的差异，采用PID算法可以及时调整PWM信号参数。上位机通过串口输入设定温度，监控系统运行状态。应用实验结果表明，该温控系统结构简单，响应速度快，稳定性好，控温精度高，误差小于plusmn;0.5℃。

1.介绍

温度作为工业制造[1]和科学实验[2]中的一个重要参数，需要以高精度快速测量和控制。否则，明显的温度误差将损害整个测量系统[3]的性能和精度，特别是在现代仪器领域。例如，通过提供高精度和快速响应速度的恒温环境，正确获得LED光源的加速寿命预测[4]和光电热性能[5]是非常重要的。在另一种情况下，光纤陀螺的核心部件对环境温度[6]也很敏感，轻微的温度变化会导致光纤陀螺的零点漂移，因此需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值得进一步研究。

传统上，模拟电路在大多数情况下用于温度控制。在该电路中，通常选择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，以达到恒温。然而，该方法存在温度控制精度低、惯性大、明显滞后和电路设计复杂等缺点。此外，还存在温度均匀性、稳定性和响应速度等[8]的不足。

本文采用热电冷却器(TEC)提供了一种在加热和冷却之间切换工作模式的新方法。通过调节TEC驱动电压的脉宽调制(PWM)信号的脉冲持续比，可以调节加热或冷却的有效功率。采用比例积分导数(PID)算法可以自动控制PWM信号。为了提高温度测量的精度，采用无源滤波器降低温度采集电路的电压纹波。以STM32为单片机，采用PID算法建立了快速、高精度的温度控制系统。最后，通过应用实验对温度控制的响应速度和稳定精度进行了评价。

2.样品支架的结构设计及温控系统总体设计

2.1样品支架的结构设计

一般来说，温度控制系统需要为样品保持架配备加热、冷却和恒温的工作模式。选择一个FTA951加热和冷却模块，如图1所示，作为温度控制的执行单元。在FTA951模块中，TEC可以执行冷却模式，并在提供正向直流电流时迅速降低样品保持架的温度。当TEC用反向电流驱动时，它可以在短时间内执行加热模式并提高样品保持架的温度。由于FTA951模块采用防震设计，TEC具有较高的工作可靠性。有一个平面样品保持架，用于在TEC的一侧安装测试样品。在TEC的另一侧安装有风扇的散热片，以提高加热和冷却[9]的效率。

样品保持架需要采用高导热容的铜材料。样品支架上有两个探针孔，通过这个孔可以将温度传感探针发送到中心位置。一个探针孔非常接近样品支架的表面，并定期给出实际温度T1的反馈。另一个非常接近TEC，收集参考温度T2来判断样品保持架是否处于热稳态。

为了使样品保持架的实际温度T1在没有明显超调的情况下迅速达到设定温度T0，当T1和T0有较大差异时，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，有效功率降低到保持轻微温度波动的水平，并在T0附近长时间保持T1。只有当T1和T2的差值小于plusmn;0.5℃时，样品保持架的温度才被认为处于热稳态。

2.2温控系统总体设计

温控系统总体设计框架如图2所示。设计温度采集电路，将温度信号转换为放大电压信号。采用STM32F103VET6作为MCU，通过RS232串口获取PC软给出的设定温度T0，通过温度采集电路定期监测样品保持架目前的实际温度T1。每次采集T1后，MCU立即计算T1和T0之间的温差。单片机可以根据温差的正负，自动控制温控执行电路中电磁继电器的引脚开关，调节TEC的电流方向，在加热和冷却之间执行工作模式切换。此外，单片机根据温差的绝对值运行数字PID算法，及时调整PWM信号的脉冲持续比，通过温度控制电路[10]控制TEC的有效功率。最后，基于温差的TEC有效功率动态调整可以准确地保持样品保持架温度在设定温度T0附近。在控制过程中，所有温度数据都可以通过RS232串口及时发送到PC软，然后在PC软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强制性的稳定环境温度，以满足LED光电热性能测量的稳态要求。测量的设定温度应连续可调，并覆盖20℃-80℃范围。当样品保持架温度从20℃上升到80℃或从80℃下降到20℃时，达到目标温度的热稳态所需时间应小于140s，以确保温度控制的快速响应速度。在热稳态下，试样保持架实际温度与设定温度的最大误差应小于0.5plusmn;℃。

3.温控系统电路设计

3.1温度采集电路

温度采集电路主要用于样品夹持器实际温度的实时采集和反馈。电路中采用Pt1000铂热电阻作为温度传感器。优选的，所述Pt1000的电阻温度系数(TCR)为0.003851，精度范围为plusmn;0.05℃-plusmn;0.5℃。作为温度传感器，Pt1000具有电气性能稳定，振动耐久，可靠性好，精度高，灵敏度高，寿命长等优点。故Pt1000为温度采集电路设计非常合适。共模抑制比(CMRR)通常定义为作用于系统的共模干扰信号与系统具有相同输出所需的不同模式信号的比值。较高的CMRR意味着系统具有更强的抵抗共同干扰的能力。AD8221是一种增益可编程高性能仪器放大器，具有优异的共模抑制性能。当增益为1时，AD8221在每个电平上可以保持80dB的最小共模抑制比，直到频率达到10kHz，从而能够有效地抵抗共模干扰，非常适合差分输入的传感器接口电路。此外，AD8221还具有低电压偏移、低偏移漂移、低晶粒漂移和高增益精度等特点，因此，对于桥接信号等直流性能应用来说，这是一个很好的选择条件。因此，该电路使用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3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3中，P1是连接Pt1000温度传感器的终端。当Pt1000处于冰水混合物(0℃)中时，通过调节可调电阻RP4的实际电阻来校正温度，使AD8221的输出电压等于0V。Pt1000的电阻随温度升高而增大，从而改变H桥电路中的分压。因此，AD8221的 IN和-IN之间的电压差也相应变化。通过高精度辅助R21可以得到差分放大因子。将放大后的输出电压输入到单片机的模数转换器中，并转化为温度值。在该电路中，使用无源滤波器尽可能地降低射频能量，并在放大器之前抑制射频干扰。良好的射频干扰抑制可以平衡各输入与地面之间的交流信号，并在测量带宽中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

温度控制电路设计为接收来自MCU的控制信号，驱动电磁继电器或固态继电器。具有电磁继电器的电路和具有固态继电器的电路具有相同的拓扑结构，如图4所示，但它们具有不同的功能。前者可以接收单片机给出的加热或冷却信号，控制电磁继电器的导通引脚，调节TEC的电流方向，用于加热和冷却之间的工作模式切换。另一种，在恒定加热或冷却状态下，接收单片机中PID算法计算的PWM信号，控制固态继电器的开关频率，用于TEC的可调节有效功率和高精度温度控制。该电路采用TLP521-1光电耦合器传输控制信号，显示出良好的输入输出隔离性能和对干扰的高抑制能力。BD237功率晶体管具有寄生电容低、导通压降小、集成方便等优点。因此，采用TLP521-1和BD237的组合作为继电器的主要驱动装置，满足了电路设计的要求。

温控电路的工作原理如下。当MCU的PA2引脚输出高电平信号时，光电耦合器I4处于关闭状态。因此，功率晶体管Q1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ON状态。因此，功率晶体管Q1导通，继电器处于开启状态，TEC开始工作。二极管D2的负极与继电器并联，连接到直流源的正极。当切断继电器线圈的电源时，二极管为线圈中的电流流动提供了一种途径，剩余的能量在由线圈和二极管组成的电路中被轻轻可以克服背电动势对电路的有害影响。

3.3温度控制执行电路

如图5所示，温控执行电路主要包括：FTA951加热冷却模块(带TEC)，直流电源，电磁继电器(SL-KE)和固态继电器(LDG)。是FTA951模块的执行设备。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协调，分别控制TEC的加热或冷却模式和有效功率，实现精确的温度控制。

电磁继电器通过接收来自温度控制电路的信号，控制TEC加热和冷却之间的工作模式切换。电磁继电器线圈通电时，可开启继电器常闭触点。因此，TEC提供反向电流并执行加热模式。线圈断电时，其常闭触点复位。因此，TEC提供正向电流并执行冷却模式。固态继电器具有控制电压3-32VDC，负载电压5-200VDC，通断时间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，输出直流负载电压12V的设计要求.在该系统中，可以通过PID算法及时调整PWM信号的脉冲持续比，提供固态继电器的快速通断控制，控制加热或冷却模式的执行时间，即可以在加热或冷却模式中调节TEC的有效功率。

4.软件的设计

软件控制流程图如图6所示。系统上电时，软件首先初始化系统时钟，定时器，串口和PID参数等。接下来，用户将设定的温度T0输入到软中进行温度控制，温度传感器给出样品保持架当前实际温度T1的实时反馈。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。反之，MCU发出冷却信号。如果T0近似等于T1，则保持先前的信号状态。通过PID算法的计算得到PWM信号的脉冲持续比。温度差越大，T0和T1之间的温度差越大，PWM信号具有脉冲持续时间比，在PWM周期内，高电平持续时间越长，可以迅速提高或降低样品保持架的温度。随着T1接近T0，PWM的脉冲持续时间逐渐下降，以避免较大的温度超调。当T1达到T0时，PWM的脉冲持续时间比将保持在一个小值，以保持样品保持架的温度稳定在设定的温度。

5.PID算法及其参数调整

PID算法是一种具有可预见性的控制算法。对于被控对象，PID算法不仅考虑其当前状态值，而且考虑其过去时间的历史状态值和未来[11]的最近状态值。三种值协同决定当前的输出控制信号。PID算法的计算结果是一个数字，用于调节被控对象的操作，如加热器的不同功率、阀门的开度等。正常情况下，输出采用PWM信号形式，根据需要改变输出控制信号的脉冲持续比，满足设计要求。

图7为PID控制原理图。在PC软上由用户给出设定温度T0后，PID算法立即运行，实时读取当前实际温度T1对被控对象的反馈值。随后，计算了T0和T1之间的温差。据此得出总体系统的历史偏差，电流偏差和最近偏差。在对这三种偏差进行积分、比例和微分计算后，单片机输出一个可变脉冲持续比的PWM信号，进行下一个温度变化方向和范围。很快，被控对象目前的实际温度T1可以迅速达到设定的温度T0，并稳定地保持为恒温。

系统采用位置PID控制算法：

由

所以

其中为本次采样偏差，为上次采样偏差，为比例因子，为积分时间常数，为微分时间常数，t为采样周期。并设置为非零常数，保证为0时输出信号不为0。否则，当前实际温度等于设定温度时，PID控制算法的输出信号将为0，系统将处于无控制信号的不受控制状态。

在公式(3)中、、和是PID算法的主要控制参数，确定这些参数的值是温度控制系统的关键设计。温度控制系统通常是典型的滞后惯性系统，因此可以采用试错法确定PID算法的控制参数。首先，让=infin;和=0，我们可以从方程中删除积分项(包含的项)和微分项(包含的项)使（3）式成为PID的纯比例调节，容易确定比例因子。为了确定的值，温度输入值设置为系统中最高允许值(80℃)的60%-70。逐渐地，比例因子从0增加到系统振荡发生。然后，从正值逐渐减小，直到系统振荡消失。此时，比例因子为25，并记录。然而，在PID的实际应用中，比例因子应该是上述记录值的60%-70%，即=15。确定后，可设置积分时间常数的大初始值为5000000。随后，积分时间常数从正值逐渐减小，直到系统振荡发生。然后，逐渐增加，直到系统振荡消失。此时积分时间常数为1666667并记录。然而，在PID的实际应用中，积分时间常数应为上述记录值的

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