基于STM32單片機的恒溫防霧系統設計

陳思遠++鮑其蓮

摘 要本文采用具有ARM Corex-M4內核的STM32F407ZGT6單片機與半導體加熱制冷片TEC實現對藍寶石鏡頭的恒溫控制，通過K型熱電偶和溫度采集電路對藍寶石鏡頭表面溫度進行反饋，通過溫度芯片ADT75檢測鏡頭附近環境溫度。設計的特點在于采用模糊控制實時調整PWM信號，快速達到環境溫度并穩定下來；考慮了過溫保護和過流保護，在溫控回路電流或者藍寶石玻璃溫度兩個指標中的任何一個超限時，PWM電源會自動切斷，有效的滿足了許多應用場合的安規要求。

【關鍵詞】恒溫控制 響應速度快 精度高 模糊控制

因為可視化技術在越來越多領域的應用，讓高清攝像系統成為一種普遍的設計要求。高清攝像系統的性能指標不僅包括高成像品質，在很多場合下，保持鏡頭不起霧也是不可或缺的條件。鏡頭之所以會起霧主要是因為濕空氣受到鏡頭表面的低溫影響，析出液滴，在鏡頭表面形成凝結。故本恒溫控制系統針對瞬時溫差變化導致的鏡頭起霧現象，采用半導體加熱制冷片TEC作為藍寶石鏡頭玻璃表面的加熱和制冷裝置，通過模糊控制改變PWM（pulse-width modulation）占空比調節TEC溫度，實現鏡頭玻璃快速達到環境溫度并迅速穩定，有效的控制鏡頭起霧。

1 系統總體設計及工作原理

鏡頭恒溫溫控系統由單片機、溫度傳感器、K型熱偶、溫度采集電路、以及過溫和過流保護電路、通信模塊等部分組成。系統的工作原理為： 溫控系統對周圍環境溫度實時采集，并將采集到的鏡頭表面溫度和環境溫度進行比對判斷，如果鏡頭表面溫度低于環境溫度則開始提供PWM電壓進而調節熱電制冷器加熱，直至鏡頭溫度不低于環境溫度并保持穩定；PWM占空比由微處理器通過模糊控制算法得到；當藍寶石玻璃鏡頭表面溫度達到或者超過環境溫度則TEC停止加熱。此外，當玻璃鏡頭表面溫度超過鏡頭最高允許溫度或者通過TEC的電流超過額定值時，微處理器會使能保護電路斷開TEC兩端回路。上位機通過CAN總線與微控制器進行通信，當保護電路觸發時負責將報警信息傳送給上位機記錄和存儲。

2 硬件設計

2.1 防霧系統主控電路設計

STM32系列高性能數字信號控制器被廣泛應用于汽車電子，醫療器械，便攜式檢測儀表等領域。STM32F4是由ST公司研發的一款微處理器。它具有Cortex-M4內核，增強的DSP處理指令，高達1M字節的片上閃存，196K字節的內嵌SRAM，以168MHz高速運行時可達到210DMIPS的處理能力，同時兼具更快的通信接口和更高的采樣率，配合良好的開發環境和最高可達105℃的運行環境溫度，故本系統選擇STM32F4作為微處理控制器。在設計STM32F4的最小系統時。采用ISP串口下載編程，通過USB/串口轉換電路，使用USART1 TX 和 USART1 RX引腳完成代碼下載。

2.2 溫度采集電路

溫度采集電路分為兩個部分：環境溫度采集電路和鏡頭溫度采集電路。

環境溫度采集電路的設計本著小型化的原則，選用ADT75作為環境溫度采集傳感器。ADT75是由ADI公司推出的一款12位溫度-數字轉換器。片內集成了一個溫度傳感器，此溫度傳感器會輸出一個與絕對溫度形成精確比例的電壓，該電壓在與內部基準電壓相比較后，最終送達至精密數字調制器，從而實現環境溫度精確測量。ADT75的溫度分辨率高達0.0625℃，B級的整體精度為±1℃（0℃至+70℃范圍），具有出色的傳感器線性度；且體積小，采用節省空間的8引腳SOIC封裝；功耗低，在輸入電壓3.3V下功耗典型值可低至69uW。

鏡頭溫度采集電路的設計則為了達到更好的恒溫控制效果，考慮鏡頭表面溫度的測量精度，選擇了K型熱電偶配AD8495精密熱電偶放大器再通過12位轉換器MCP3201實現ADC轉換，最終將鏡頭表面溫度采集信號輸入微處理器。AD8495是由ADI公司生產的一款集成了冷結溫度補償的放大器，它擁有高阻抗差分輸入，低功耗和獨立的5mv/℃溫度計。對于使用環境0℃至50℃內，放大器的線性度更是可以精確到0.025℃/℃，解決了熱偶自身線性大的缺點。鏡頭溫度采集電路如圖1。

電路圖中的REF3318為放大器提供了1.8V的基準電壓。所以可知AD8495的傳遞函數為

Tmj = （Vout– 1800mv）/（5mv/℃）

式中Tmj為熱電偶測量結溫。

經過校準后此系統的鏡頭溫度采集精度在0～70℃可以達到±0.2℃。

2.3 溫度控制電路

溫度控制電路包括防霧系統保護電路和PWM溫度控制電路。PWM溫度控制電路是通過模糊控制來實時調整PWM的占空比，從而保證TEC可以快速將玻璃鏡頭加熱到目標值并穩定下來。當加熱時，輸入端的小功率N型MOS管2N7002導通形成下拉電阻，在U1基極形成低電平，導通U1將負載與電源正極接通；輸出端則通過高速MOSFET驅動器MCP1401提供高電平，將U2導通使得負載與電源地接通形成加熱回路。當需要制冷時，則關閉U1和U2，同時用相同的方法導通U4和U5形成制冷回路。無論在加熱還是制冷電路中，2N7002與MCP1401在提供基極電壓的同時都起到了將微處理器與加熱電路隔離開來以避免信號干擾的作用。

防霧系統保護電路分為鏡頭過溫保護電路和TEC過流保護電路。對于鏡頭過溫保護電路而言，當微處理器比較鏡頭溫度超過了預設的闕值時，控制器會導通Q3從而關閉U2斷開TEC加熱回路。對于TEC過流保護電路而言，TEC電流會經過一個0.002歐姆的NTC熱敏電阻，然后通過電流感應放大器INA214將NTC兩端電壓傳輸給微處理器，微處理器計算后得出TEC電流并與最大額定值比較，如果實際電流超過TEC最大額定電流，則同時導通Q5和Q2，關閉U1和U4，將TEC與電源正極斷開。電路如圖2所示，PWM電壓為12V。

2.4 電源模塊

在很多應用領域，防霧系統需要接入24V直流電源，所以要求防霧系統可以分別將外接電源轉換成12V的PWM電壓，和5V以及3.3V的供電電壓。系統首先選用了TPS40077同步降壓型控制器實現PWM電壓轉換，此降壓型控制器不光擁有寬輸入的特點 （4.5V至28V），且在輸入范圍內始終可以保持恒定的PWM增益，有效的降低了接入電壓不穩定帶來的恒溫控制影響。其次，系統選用了LM22676精密降壓穩壓器為5V供電電壓提供轉換，此穩壓器不僅同樣擁有寬輸入電壓的特點（4.2V至42V），還可驅動高達3A負載，提供了卓越的電壓和負載調節特性。最后，在3.3V的電壓轉換電路中選用了LMS8117低壓降線性穩壓器，0.2%線性調節和0.4%負載調節保證了芯片用電的穩定。

2.5 通信模塊

在多數應用場合下，要求系統的通信模塊可以實現多主控制，擴展性好，連接節點多，通信速度快，具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能。基于以上要求，選擇STM32F4自帶基本擴展CAN 作為和上位機的通信模塊，

由于STM32F4不支持CAN總線電平，所以在系統和上位機連接時，需要電平轉換芯片。本系統選用的是TJA1050，在芯片CANH和CANL之間連接了一個12歐姆的電阻作為終端匹配電阻。

3 軟件設計

3.1 總體軟件設計方案

本系統軟件的工作步驟為，首先初始化，然后啟動安全辨識，采集溫控電路中的電流ITEC且將其和最大允許通過TEC的額定電流ILIMIT比較；如果超限，那么立刻啟動TEC過流保護切斷溫控電路電流，否則即通過溫度采集電路采集玻璃鏡頭表面溫度TL并與鏡頭允許最高溫度TLIMIT比較；如果比較結果為啟動保護電路，則系統立刻切斷溫控電路電流。

當系統順利通過安全辨識后，則溫度采集電路開始采集環境溫度Te，并將其與之前采集到的玻璃鏡頭表面溫度TL比較，如果鏡頭溫度高于環境溫度則起霧條件不存在，系統關閉溫控電路；反之，將環境溫度Te賦值于中間變量Ts，調用模糊控制函數計算PWM輸出值，調節TEC溫度輸出。在調節過程中，系統不斷循環安全辨識并反饋得到的環境溫度和鏡頭溫度，直到鏡頭溫度達到或者超過環境溫度，如圖3所示。

3.2 模糊控制算法及其參數調整

系統采用模糊控制法，其實質是根據被控對象的輸入值和輸出值，計算出誤差，再根據誤差信號產生合適的控制作用輸出給被控對象。

根據秦碩等在經過試驗后，對于物鏡溫度響應的粗建模得到的傳遞函數為：

G（s） = 0.876 / [（1+1159s）*（1+312s）]

在此傳遞函數基礎上，根據設計要求對控制系統構建以下模糊規則，如表1所示。

然后使用Matlab軟件對模糊控制系統仿真分析，得到的階躍響應如圖4所示。

由圖4顯見且此控制系統可在1s內即達到設定溫度，并使被控對象溫度穩定下來，滿足快速溫變條件下的防霧系統設計要求。

4 結語

本課題介紹了基于STM32的鏡頭恒溫防霧系統設計方法。系統從利用加熱方法實現鏡片防霧的應用出發，針對防霧系統熱響應速度快和精度高的要求，通過精確的選型，完成硬件電路小型化和安全性設計。在溫控系統數學建模中，通過使用模糊控制算法，達到了輸出上升時間要求并降低了系統超調量，讓系統既能很快達到環境溫度，又能不使鏡片過熱，適用于快速溫變條件下的防霧應用，具有一定的應用價值。

參考文獻

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作者簡介

陳思遠，現為美敦力醫療研發實驗室高級主管。主要研究方向為可靠性工程和自動化控制。

鮑其蓮，現為上海交通大學副教授。主要研究方向為導航與信息融合技術，智能控制，集成測試系統。

作者單位

上海交通大學儀器科學與工程系 上海市 200240