李志凌 王虎

【摘 要】設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體制冷及PTC陶瓷加熱技術(shù)的恒溫杯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水杯的制冷、加熱、恒溫等功能。設(shè)計(jì)電路采用STM32F103系列單片機(jī)為控制器，通過防水型DS18B20數(shù)字溫度傳感器對水溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用模糊PID算法合理精準(zhǔn)控制水溫;系統(tǒng)采用按鍵方式進(jìn)行溫度設(shè)定，采用OLED進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，利用報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)溫度提醒。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，半導(dǎo)體制冷時(shí)，水溫可達(dá)到10℃以下;PTC加熱時(shí)，水溫達(dá)到90℃以上。

【關(guān)鍵詞】STM32;半導(dǎo)體制冷;水溫控制;模糊PID算法

1引言

飲水健康一直以來都是人們關(guān)注的問題，水溫過高容易損傷口腔黏膜、食道以及胃腸粘膜，容易引發(fā)食道癌癥。水溫過低容易損傷腸胃，使身體過寒。水溫在40℃對人體最為適宜。實(shí)現(xiàn)水溫的精準(zhǔn)控制不僅有益于我們的健康，還可以大大的提升生產(chǎn)效率，節(jié)約資源，提高生活品質(zhì)。飲用水水杯水溫控制也應(yīng)運(yùn)而生。前人對水杯溫度控制已經(jīng)做了一定的研究，如水杯加熱采用PTC發(fā)熱片，可以使水溫達(dá)到90℃以上;使用半導(dǎo)體制冷片制冷。但半導(dǎo)體熱面無散熱裝置，制冷效率不高。侯衛(wèi)周等研究的溫控智能水杯具有測溫、加熱調(diào)溫功能，但不具有制冷功能。本文設(shè)計(jì)一種利用PTC加熱，半導(dǎo)體制冷技術(shù)并結(jié)合模糊PID算法實(shí)現(xiàn)水溫控制的恒溫杯設(shè)計(jì)。通過按鍵設(shè)置溫度，可滿足不同場合、不同人群使用。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103系列單片機(jī)及PID閉環(huán)算法實(shí)現(xiàn)恒溫杯溫度控制。硬件設(shè)備主要有以下模塊：MCU核心控制模塊、電源電路、溫度檢測模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、按鍵模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、半導(dǎo)體制冷和PTC加熱模塊。圖1為恒溫杯控制系統(tǒng)框圖。

整個(gè)恒溫杯的閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是模糊PID控制算法。首先通過防水型DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，然后將采集到的溫度數(shù)據(jù)寫入FLASH中方便數(shù)據(jù)保存與擦寫，防止斷電丟失數(shù)據(jù)。將溫度數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值，由MCU控制將溫度值傳輸給OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示。通過按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定，將設(shè)定的溫度值傳送給MCU，利用PID溫度算法，判斷設(shè)定溫度與測量溫度的關(guān)系，如果設(shè)定溫度大于實(shí)際測量的溫度，則進(jìn)行加熱升溫。如果設(shè)定溫度小于測量溫度，則控制驅(qū)動(dòng)電路的電流流向，進(jìn)行半導(dǎo)體制冷。然后使測量值逐漸接近設(shè)定值，并保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達(dá)到恒溫效果。當(dāng)水溫通過調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)置溫度后，系統(tǒng)啟動(dòng)保溫模式，此時(shí)聲光提示電路工作提醒用戶完成調(diào)溫。

2.2 核心控制電路

核心控制電路主要由STM32F103C8T6處理器構(gòu)成，還包括晶振、系統(tǒng)硬件上電復(fù)位電路等，STM32F103C8T6是32位微控制器，其低成本、低功耗、高性能的優(yōu)良特性使其在嵌入式方面應(yīng)用廣泛。圖2為核心控制電路原理圖。

2.3 調(diào)溫驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用3.3V電壓，加熱與制冷設(shè)備所需電壓為12V，為了防止高電壓對主控芯片造成不可逆的損壞，必須采用隔離驅(qū)動(dòng)電路。溫控驅(qū)動(dòng)電路由隔離芯片和MOSFET器件搭建而成，器件型號分別為HCPL-2630和IRLR7843，調(diào)溫驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.4 顯示電路

顯示電路采用的是OLED顯示器。OLED顯示器的原理是基于有機(jī)材料的發(fā)光特性，制作工藝上是由超薄的有機(jī)材料的涂層和二氧化硅基板構(gòu)成。OLED每個(gè)像素都是被一個(gè)電路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的，具有內(nèi)置的電子電路系統(tǒng)，使用也較為方便。由于OLED顯示器采用的是自發(fā)光技術(shù)，不需要任何背光源，功耗低。所以本設(shè)計(jì)采用OLED顯示器。OLED電路如圖4所示。

2.5 DS18B20測溫電路

DS18B20為單線數(shù)字溫度傳感器，因此，可節(jié)約I/O資源，減少A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，并且具備體積更小、經(jīng)濟(jì)、靈活等特點(diǎn)。測量溫度范圍為-55℃～+125℃。在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)需要。并支持“一線總線”接口，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。封裝好的DS18B20電路共有VCC、GND、數(shù)據(jù)線三根線。使用時(shí)數(shù)據(jù)線上需要加上拉電阻。測溫電路如圖5所示。

3模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 PID控制原理

PID控制器即P（比例），I（積分），D（微分）控制。它是對給定值r（t）與實(shí)際輸出值y（t）的偏差e（t）進(jìn)行比例，積分，微分運(yùn)算。它的數(shù)學(xué)表達(dá)示如下：

其離散形式如下：

3.2 模糊PID控制器

如果設(shè)定的速度為Vd，而當(dāng)前的實(shí)際速度為Vr，則速度偏差e（t）=Vr-Vd，偏差變化率EC（t）=E（t）-E（t-1）。把速度偏差e（t）和偏差變化率EC（t-1）作為控制器的輸入變量，而控制量KP、KI、KD為輸出變量，編碼器實(shí)時(shí)測量值c（t）為比較變量?？刂破髟韴D如下：

根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)，以及模糊規(guī)則確定方法，采用“IF A and B THEN C and D ”形式，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)對比，可以確立模糊控制規(guī)則。如表1所示：

由模糊控制規(guī)則可以確定模糊關(guān)系R，然后選擇Mamdani型模糊邏輯推理系統(tǒng)，可以得出控制量的模糊集合為U=（EXEC）oR，經(jīng)過模糊推理后，需要對模糊PID控制器調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行清晰化處理，以獲得精確量。模糊量清晰化方法有很多，如最大隸屬度法、面積法、重心法等，在本控制器中采用最大隸屬度法。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序邏輯框圖如圖7所示。首先初始化外設(shè)模塊，將DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)通過OLED顯示;然后進(jìn)行溫度判斷;通過PID算法輸出判斷結(jié)果，啟動(dòng)加熱或者制冷設(shè)備;最后溫度恒定于設(shè)定值。水溫調(diào)節(jié)采用PID閉環(huán)控制算法，DS18B20檢測到的水溫作為反饋信號，通過STM32單片機(jī)計(jì)算，控制PWM信號，進(jìn)而控制MOSFET的通斷，控制TEC1-12715或PTC陶瓷加熱片工作，實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，完成水溫調(diào)節(jié)。

5結(jié)語

經(jīng)過理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)PTC加熱效果遠(yuǎn)優(yōu)于帕爾貼的制冷效果，500mL水水溫從90℃降到40℃需要15分鐘左右;而從40℃制熱到90℃的時(shí)間不足15分鐘。采用PID的控制算法，能實(shí)現(xiàn)水溫較為平穩(wěn)精確地控制，并且具有較好的恒溫效果，完全能夠滿足人們?nèi)粘ｏ嬎枨蟆Ｔ谥评溥^程中會排放一定的廢熱，需要保持良好的通風(fēng)環(huán)境，工作環(huán)境溫度過高會影響制冷效果。

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通訊作者：

王虎（1986-），男，湖南益陽人，湖南交通工程學(xué)院，研究方向：機(jī)械電子工程。

基金項(xiàng)目：

2017年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目：多功能便攜保溫杯（988）

2018年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目：地方應(yīng)用型高校新工科人才創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)模式研究（18979）

（作者單位：湖南交通工程學(xué)院）