基于STM32的密闭系统温度控制研究∗

于佩伶 吕英俊 张广林 刘卓伟 黄 旭

（1.山东科技大学（青岛校区）电气工程及其自动化学院 青岛 266590）（2.山东科技大学（济南校区）电气信息系 济南 250031）

1 引言

在半导体制造行业，温度对产品的影响十分重要，细小的温度变化，直接影响产品成品率。随着半导体行业的不断发展，半导体产品在我们的日常生活中扮演着越来越重要的作用，其品质至关重要［1］。各大半导体制造企业也早已认识到只有高品质、低成本的产品才能保证企业的持续竞争力。二十一世纪以来，信息化技术以及高集成化［2］、高自动化［3］的密闭技术的飞速进步，使得各大半导体制造企业的生产水平显著提高，企业之间的技术差异也日益消减，市场的竞争力越来越激烈，若不能在产品的品质和成本上做出突破，必将淹没在飞速发展的时代声浪中。如Freescale、Infineon等大型高度自动化和高密度型的半导体芯片制造企业均提出了零缺陷目标［4］。而在生产过程中，温度对成品品质的影响不容小视。因此，各大企业在密闭系统中对温度的控制提出了更高的要求。

本文在采用STM32单片机系统为主控芯片构建了密闭系统温度控制的系统框架，并运用高精度电压温压芯片REF和部分调整电路，确保系统的温度分辨率能达到预期的标准。通过MOC3021驱动双向可控硅BTA41600B的方法达到升温控制效果，并结合PWM控制制冷片的方式进行降温，稳控部分运用库函数的方式实现分段PID控制算法的闭环控制系统。

2 系统结构与工作原理

2.1 系统结构

本文所提方案采用了STM32单片机［5］系统为主控芯片，STM32内部含有2个12位μs级A/D转换器，最多多达11个定时器（4个16位普通定时器，2个高级控制定时器，2个基本定时器，2个看门狗定时器和1个Systick定时器），同时还具有其他丰富的外设接口，可以满足用户多样性的需求。在温度控制方面，为了使系统在运行时更加的稳定可靠且精度达标，本文采用了通过控制可控硅［6］的相角来实现加热升温以及PWM控制直流电压实现降温。同时，通过实现分段PID控制算法来保证系统的精确性。

2.2 工作原理

该温度控制系统主要是对系统内部的温度进行精确采集，控制，储存和显示，图1所示。通过高精度温度传感器感应系统内部温度并进行温度采集，采集到的电信号再经过信号处理电路的处理之后以电压信号的方式传送给STM32主控芯片，STM32芯片内部的12位A/D转换器将处理过后的电压信号转化成为数字量［7］，通过信号传输模块将处理过的数字信号实时的传送给上位机，上位机通过清晰明了的界面将接收到的数据进行显示，同时人性化的上位机界面也可以让工作人员操作更加快捷便利。

图1 系统结构

3 硬件电路设计

3.1 温度采样

为了使采集到的温度信号更加精确，系统采用了桥式电路，温度传感器选用PT1000铂电阻温度传感器。传感器采集到的信号传输到由仪表运算放大器AD620和OP07组成的信号调理电路［8］。经过调理电路之后，信号被传输至STM32内部的12位A/D转换器进行数值转换。同时，采用了高精度电压温压芯片REF和部分的调整电路，确保系统的温度分辨率能达到预期的标准。电路图如图2所示。

图2 温度采集电路

3.2 升温驱动电路

升温控制驱动电路如图3所示，MOC3021是即时触发的可控硅输出的光电耦合器［9］，MOC3021内部有一个小功率的双向可控硅。系统采用了通过MOC3021驱动双向可控硅BTA41600B的方法达到升温控制效果［10］。在MOC3021中还存在一个发光二极管，可以通过发光二极管的亮暗来确认加热控制是否输入。加热设备均使用220V交流供电。

图3 升温驱动电路

3.3 降温驱动电路

降温电路如图4所示，采用了通过PWM控制制冷片的方式进行降温，制冷片采用了12V的直流供电。PWM占空比将由PID控制算法计算得出，同时周期采用0.01s。并且降温驱动电路采用了光耦隔离的方式隔断电气连接上的传导干扰。

图4 降温驱动电路

4 软件设计

由于STM32微控制器拥有的寄存器较多，以往采用的配置寄存器方法操作芯片过于复杂，虽然使用配置寄存器的方法可以更加地了解程序的流程和底层的实现，但是开发周期过长而且提高了后期移植和维护的难度。所以采用了库函数法［11］进行嵌入式编程。为了推广库函数法，意法半导体公司提供了完整而细致的官方固件开发包。开发包完成了所有的底层操作，免去了配置寄存器的麻烦，从而大大提高了STM32用户的开发编程效率。

4.1 主程序设计

主程序是软件设计的中枢，负责整个程序的流程，系统初始化包括系统时钟的开启、I/O口初始化、串口和ADC的初始化，同时给出程序执行所需变量的定义，其流程图如图5所示。

图5 程序流程图

4.2 PID控制算法

PID控制［12］即为按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制。PID控制的优点在于其原理通俗易懂，实现快捷方便，适用范围广泛，各控制参数相互独立且参数选定没有过多或者过于复杂的限定，与此同时，在面对控制过程中两大典型的对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象时，PID控制器也早已被证明是最优控制。因此，PID控制器是现今应用范围最广的自动控制器。

该系统升温和降温部分均采用PID控制算法。经过计算和结果验证，在升温控制算法中将电压的有效值作为PID控制量，在降温控制算法中将PWM作为控制量。同时，该温控系统为闭环控制系统，因此采用PID增量型控制算法。数字PID增量控制算法的表达式如下所示。

其中，e(k-1)与e(k-2)分别代表一阶滞后与二阶滞后，KP为比例系数；KI=KPT/TI为积分系数；KD=KPTD/T为调整系数。

5 功能测试

为了验证本研究所提出的基于STM32的密闭系统温度控制有效性，课题组所购煎炸油构造油封无氧的密闭系统，鉴于煎炸油温度的10℃～200℃中均为液体状态，因此重点检测了温度控制系统在各温度界定值处的准确度和误差精度。测量电路实物如图6所示，其中USB充电电路可微制冷片提供12V的直流供电。

系统经过软硬件调试后，能正常实现温度的采集，控制，监控。温控系统实验结果如表1所示。

图6 电路实物图

表1 控温系统实验结果

图7 实验数据采样图

根据表1所示实验结果进行分析，得到图7，可以看出温控系统在10℃～140℃内，控温最大误差在0.7℃，小于1℃，误差率在0.1%～3.5%，小于4%，当温度设定值达到60℃以上时，误差率均低于1%，满足设计需求。

6 结语

本文设计了一种密闭系统内部的温度控制系统，采用了高性能的STM32F103ZET6作为主控芯片，硬件电路结构简单，采用了两种不同的方案实现控温的上升和下降，同时也采用了如高精度电压温压芯片REF和光耦隔离等方式，简化电路的同时屏蔽了干扰，提高了系统的稳定性。软件方面，通过库函数的方式实现分段PID控制算法，大大提高了温度控制的精确度和可靠性。

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