激光器电源高精度温度控制系统硬件设计
激光器电源高精度温度控制系统硬件设计
摘
着激光加工技术发展激光器断前发展激光器已成现代激光加工系统中必少核心部分激光器正常运行需稳定电源供应激光器电源激光器电源系统种受控供电系统决定着激光器运行状态硬件电路电路系统重组成部分设计合理性直接影响电路系统性
文激光器电源研究象工作温度进行高精度采集通AD转换器进行采集放温度模拟信号模拟信号转换STM32单片机接收数字信号电压信号MCU通实时检测温度散热扇转速运PID算法调控PWM占空达散热扇转速控制反馈数显示显示屏达激光器电源高精度温度控制文针激光电源发热问题提出种温度控制器硬件方案设计PCB电路分析散热性
关键词：激光器电源温度控制系统STM32单片机硬件电路设计PCB
Hardware design of laser power supply high precision temperature control system
Abstract
With the development of laser processing technology lasers are also constantly moving forward Lasers have become one of the indispensable core parts in modern laser processing systems The normal operation of the laser requires a stable power supply that is the laser power supply The laser power supply system is a controlled power supply system that determines the operating state of the laser The hardware circuit is an important part of the circuit system and the rationality of its design directly affects the performance of the circuit system
This thesis takes the laser power supply as the research object collects its working temperature with high precision collects and amplifies the temperature analog signal through the A D converter and converts the analog signal into a digital signal that can be received by the STM32 MCU that is the voltage signal The MCU detects the temperature and the speed of the cooling fan in real time and uses the PID algorithm to adjust the PWM duty cycle to control the speed of the cooling fan and the feedback data is displayed on the display screen thereby achieving highprecision temperature control of the laser power supply Aiming at the problem of heat generation of laser power supply this paper puts forward a hardware scheme of temperature controller designs PCB circuit and analyzes heat dissipation performance
Keywords laser power supply temperature control system STM32 microcontroller hardware circuit design PCB
目 录
1引言1
11温度控制系统应发展1
12意义1
13设计完成目标2
2具体实施方案证3
21高精度温度控制系统简介3
22实施方案证4
221控板电路4
222散热结构4
223温度测量控制部分5
224显示屏部分6
225系统框图6
3硬件整体设计7
31电源电路部分设计7
32单片机控部分设计9
321 STM32F103系统设计9
322触摸屏电路部分9
323 PWM输出部分11
33温度测量控制电路部分12
34散热结构14
341散热片 14
342 PWM散热风扇 15
4系统程序设计调试16
41系统程序设计流程图16
42单片机控部分17
421初始化程序设计17
422显示功程序设计17
423 PID算法程序设计18
参考文献 19
致谢20
附录21
1引言
11温度控制系统应发展
温度控制系统国国外已发展十分成熟国国温度控制系统会缺点国外相缺陷会较明显成熟温度控制系统般采点位控制方法PID算法控制精确性设计运较常PID算法PID算法般应较简单温度控制系统较高级智系统中国暂时没完善解决方案形成商品化高精度温度控制仪器开发提高着国济发展国家越越重视高新技术研发越越高精度仪器越越普国温度控制领域逐渐跨世界
现温度控制器集成电路控制器逐渐更新换代现高度智化控制器甚AI动学温度控制规律实现真正意义工智控制智控制器集成计算机技术微调控技术电子技术等控制器重输出温度数控制信号建立硬件开发基础通软件进行控制软件开发水直接者间接影响开发速度完整度现正处高速度高度集成总线集成化发展阶段
12意义
温度类社会中扮演着极重角色工业电子科技起着关键作水泥玻璃钢铁制造中基离开温度调控文中激光器电源样温度变化直接间接会电源输出力造成影响激光器类高精度设备容太误差算似微足道静电激光设备造成修复破坏温度调控许设备必须具功作温度控制生产需温度指标工业生产加工提供稳定环境生活生产中温度细节变化会决定生活生产质量适宜温度控制手段具重意义现代化工业根产品生产属性（生产工艺燃料金属熔点热处理方式等）进行温度处理种加热设备热处理设备反应炉等控制方面种控制方式PID调控DDC调控模糊控制等控制方式考虑温度控制激光器电源重文中探讨温度控制系统激光器电源领域发展应做出贡献
13设计完成目标
文提设计求够通单总线连接温度传感器实现资源利化系统中允许温度变化范围通AD转换温度传感器传递单片机模拟信号转换数字信号输送单片机单片机通程序设定温度传感器温度进行较运算分三温度传感器温度均值执行温度控制（散热加热）单片机通PID算法温度偏移量进行精确计算达温度偏移量单片机输出PWM信号成正达扇热器运行功率精准调控单片机连接TFTLCD触摸屏三组温度传感器状态应温度示数显示屏幕通触摸屏温度限进行设置查温度变化实时数通温度控制系统控板电脑相连接温度加热散热模式进行设置控制
述温度控制目标接完成工作较首先根设计需求需选择应温度传感器中包括传感器型号温度参数型号类型等设计中选择铂电阻温度传感器铂电阻精度高稳定性具定非线性规律总体组织变化温度变化成正设计A级±（015+0002|t|）初始阻值R0100ΩPt100铂电阻次需温度传感器传输模数转换模块信号进行放滤波通HX711模数转换芯片时钟脉数输出二进制补码信号铂电阻反馈回温度HX711芯片时转换两温度传感器数者选择显示设备达机交互目标设计中选择较便宜电阻触摸屏TFTLCD触摸屏体积较显示触摸功求全设计PCB板时候降低成
2具体实施方案证
21高精度温度控制系统简介
现代科技工业生产水日益提高领域中会涉温度控制系统特激光器电源类温度控制苛刻电子机器高精度温度控制系统显尤重控制温度力强弱直接影响机器运行状态例冶金行业温度直接影响产品品质实际应中温度控制会遇问题时候应中传感器属性信号转换芯片分辨率区会测量结果呈现非线性误差等情况建立数学模型方面较困难简单数学模型建立较简单果求精确度较高时候建立起会较困难PID算法控制时会较误差工业生产中会PID回路控制法卡尔曼滤波法误差进行控制见工业温度控制重视温度控制探讨十分价值
激光器电源高精度温度控制系统初步系统框图图31示
（图31）
22实施方案证
221板电路部分
芯片方案：STC89C51单片机进行控制51单片机价格便宜控制简单外围电路搭建较容易控制方面提供八位运算力数字信号处理速度显乏力甚说支撑样计算量
芯片方案二：运算力更STM32F1单片机该芯片ST公司出品部搭载Cortex3M核部集成定时器串口通信IICSPI通信模数数模转换CAN总线通信等种外设功芯片广泛应医疗设备PLC空调系统等等款中低端32位ARM微控制器相言STM32F1性方面优异51单片机功更强运算力更强设计选STM32F1搭载高精度温度控制系统较适合
222散热结构部分
方案：半导体制冷片作散热结构工作原理半导体接直流电源电流先P型半导体部分吸热部分然达N型半导体部分部分热量释放出进次PN模块会热量边产生边吸收达制冷制热目制冷端发热部位制热端需通普通散热风扇进行散热整体结构：半导体制冷器部分散热设计散热片部分传导冷温度制冷片两部分相邻组合起装置表面面度适宜超003毫米般结构导冷片位正面散热风扇辅助导冷散热片位反面样散热风扇辅助散热散热片制冷片紧紧贴合起考虑散热充分般会散热片表面涂散热胶（般硅脂）散热片贴起时需注意空间湿度适宜高80TEC112703制冷片温度特性例子工作温度超60摄氏度般激光器电源温度7090摄氏度间设计适合该方案
方案二：PWM脉调制调节风扇速度PWM控制风扇PWM信号直接加风扇电压控制端风扇输入电压时导通时断开达控制风扇转速效果实质PWM信号CPU传输PWM控制器PWM控制信号控制器低通滤波器滤PWM直流分量滤PWM直流分量控制晶体相应电压信号转化电机需驱动电压实现通控制器接收PWM信号改变控制器输出电压方案效稳定控制散热风扇工作功率减少外部电路制作成PWM散热风扇够稳定工作会电机加入霍尔测速时刻反馈风扇转速变化达闭环控制设计选带测速反馈PWM风扇实时检测风扇转速通PID调控达较稳定转速考虑散热片某情况（电源负载较时）散热片散热方面足设计水冷进行辅助性散热实现高效率散热选该方案
223温度测量控制部分
传感器方案：测温部分DS18B20温度传感器该传感器较常种温度传感器具功耗低体积抗干扰力强等特点DS18B20接线较方便支持单总线双数传输节省单片机IO口资源时需外围元件直接输出数字信号测温精度±05℃（分辨率0065）高精度温度控制系统求匹配
传感器方案二：测温部分选精度较高铂电阻PT100初始电阻R0100温度变化率电阻阻值变化率成正温度电阻曲线基呈现线性增长（图33示）测量范围200+850摄氏度设计采A级±（015+0002|t|）接触深度仅200nmPT100温度传感器具耐高压高温精度高稳定性等优点设计选精度较高铂电阻作测温传感器
（图33）
模数器方案：采较常ADC0809模数转换芯片该芯片8位逼式芯片具8模拟信号输入通道次选择路模拟信号进行AD转换转换输出结果0255间分应着0+5V间256电压值单片机必须转换输出结果转换成显示电压值般应中ADC0809够满足定需求设计中明显精确度分辨率运算力均足
模数器方案二：采HX711模数转换芯片该芯片然设计起初电子秤设计模数转换具错效果芯片部集成低噪声编程放器时钟震荡器动复位等外围电路24位模数转换芯片作款高精度AD转换芯片具转换精度高稳定性转换速度快部集成度高等特点AB通道选择需输入选择开关进行操作编程相简单符合设计需求
224显示屏部分
方案：采液晶显示该显示器价格较适中控制较简单操作性观赏性触摸显示屏需留出芯片端口液晶屏基样功相差较需搭配键组合达机交互功较浪费端口资源太美观
方案二：采TFTLCD触摸屏TFT三端器件功似开关原理栅极施加信号控制源极漏极电压电流场效应栅极作某素选通控制端源极作数写入端搭建成TFT驱动电路TFTLCD薄膜晶体液晶显示器设计显示器静态特性关扫描线数量提高液晶显示屏显示质量带电阻式触摸功实时检测电阻变化数判断屏幕触摸点坐标单片机端口数量允许情况选择TFTLCD较适宜具观赏性触摸控制更科技感代传统键控制设计更技术含量选择方案
225系统框图
激光器电源高精度温度控制系统终系统框图：
（系统硬件框图）
图套完整系统组成分控芯片供电电源温度转换模块机交互界面散热设备外设
3电路设计
31电源部分设计
设计电源部分分三电源区分12V5V33V中12V220V交流电通交直流转换器模块12V直流电源转换电路图41示电路直接接入220V交流电整流桥C02滤波输出300V直流高电压R7R6R5分压限流C05C01滤波电压信号传递二极D4利Q1D4R3R4组成低压保护电路传递D4电压低时候D4二极处导通状态时嵌入MOS开关芯片TOP204控制端C电位降低MOS关闭源极漏极导通关系时电压输出端电压0变压器T2初级绕组E1E1相连接瞬态抑制二极 D2二极D5组成钳位电路该绕组次级绕组E3组成变压器保证变压器稳定工作加入反馈绕组E2该部分C06R3R4C03D1组成反馈部分控制反馈回路零点E2端整流滤波控制信号直接作TOP204芯片C端控制部PWM脉宽占空输出电压高时候E2端电压升高导致TOP204C端输入电流增D端漏极电流流入通芯片部误差放器旁路调整器PWM控制输出电压保持稳定输出输出端E3输出电压肖特基二极D6D7输入电压方波进行整流通电解电容C08双瞬态二极D8进行削峰稳压12V电压
（图41）12V电源适配器原理图
输入出参数表
者DC12V转换DC5V供应板外设HX711模数转换模块TFTLCD触摸显示屏电源STM32F1单片机电源供电求33VDC5V必须转换DC33V供应单片机电路图图42示DC12V接口DCPWRCON接入电源通C33C32滤波进入LM294050稳压芯片输出端输出稳定5V直流电C29C28滤波进入AMS111733稳压芯片稳定33VC27C26输出单片机供电脚实现电源级转换D4D5反保护二极
（图42 电源电路）
32单片机控部分设计
321 STM32F103系统设计
STM32F103结构：芯体尺寸32位速度72MHz程序存储器容量256KB程序存储器类型FLASHRAM容量48K 48KB SRAM 256KB FLASH 2 基定时器 4 通定时器 2 高级定时器2 DMA 控制器（ 12 通道） 3 SPI 2 IIC 5 串口 1 USB 1 CAN 3 12 位 ADC 1 12 位 DAC 1 SDIO 接口 51 通 IO 口 该芯片性价极高（图44示）
基参数：
系列：STM32
芯体位宽：32位
高频：72MHz
连通性：CANI2CIrDALINSPIUARTUSARTUSB
外围设备：DMA电机控制PWMPDRPORPVDPWM温度传感器WDT晶振
输入输出数：51
程序存储器容量：256KB
程序存储器类型：FLASH
RAM容量：48K
电压电源(VccVdd)：2 V ~ 36 V
振荡器型：部
工作温度：40°C ~ 85°C
复位电路：图43示键时开关闭合电容充电放电特性电源通电容达RESET脚信号脉信号单片机RESET引脚接收脉信号单片机会复位说单片机高电复位
（图43 复位电路）
（图44 STM32F103引脚图）
时钟电路（晶振电路）：HSE作单片机时钟源够提供高精度时钟源般求高时候源晶振较适合选择般情况选择晶振滤波电容时候般会选择容值较样子减少起振时间会降低振荡器稳定性优点缺点晶振工作时候振荡波形控制峰值应该70通减者增加负载电容弥补峰峰值偏差单片机提供稳定时钟源
（图45 时钟电路）
322 TFTLCD触摸屏部分
TFTLCD 薄膜晶体液晶显示器（图46示）英文全称： Thin Film TransistorLiquid Crystal Display TFTLCD 源 TNLCD STNLCD 简单矩阵液晶显示屏象素设置薄膜晶体（TFT）效克服非选通时串扰显示液晶屏静态特性扫描线数关提高图质量 TFTLCD 做真彩液晶显示器该显示器分辨率320×24016位真彩显示带触摸功控制输入
图47示ALIENTEK TFTLCD 模块采16位方式外部连接 采 8位方式彩屏数量较尤显示图片时候果8位数线会16位方式慢倍然希速度越快越选择16位接口重信号端口：
CS： TFTLCD 片选信号
WR： TFTLCD 写入数
RD： TFTLCD 读取数
D[150]： 16 位双数线
RST：硬复位 TFTLCD
RS：命令数标志（0读写命令 1读写数）
（图46 TFTLCD显示屏）
（图47 TFTLCD屏部电路图）
33温度测量控制部分
设计实现高精度温度控制选精度较高铂电阻PT100作温度传感器AD转换芯片方面精度高HX711芯片然该芯片高精度称重研发压敏电阻热敏电阻模数转换样原理适合铂电阻模数转换现成转换模块供开发降低成接探讨HX711芯片
HX711（图48示）款24位AD转换器芯片STM32类嵌入式芯片编程连接较简单脚驱动全部控制信号部需寄存器进行编程通道A具128者64位编程增益相应值分正负40mV正负20mVB通道32位编程增益般作参数检测选择AB通道时通编程控制输入选择开关选择需通道芯片电源方面（般模拟电源）芯片部集成稳压电路直接输出模拟电源供转换器等外部设备部集成时钟振荡器芯片提供部时钟源设计中仅仅通道A传感器留出信号线根电路做出修改
（图48 HX711引脚图）
（图49）
图40示铂电阻测温信号进入HX711芯片7脚INNA里需注意数字信号电路模拟电路隔离开方法者0欧姆电阻隔离开温度测量原理温度传感器PT100加入全桥电路hx711测量出电阻变化转化压力HX711芯片部（图411示）运算放输出DOUT单片机通控制PD_SCK端口时钟频率DOUT中读取温度转换数字信号通软件换算准确温度值PT100高精度模数转换器款带基准恒流源24位模数转换模块该模块采进口基准芯片产生1MA恒定电流激励PT100铂电阻差分双输入形式抑制模干扰软件编程放器端24位AD模数转换器
（图410 AD转换电路图）
（图411）
34散热结构
341散热片
散热片数铜铝材料制成容易发热电气者电子器件提供散热电源器稳压变压器计算机CPU功率放器等等需散热器件表面涂层散热胶助热量传递散热片助散热片热量传递空气者液体中
设计中铝合金材质散热片（图412示）水冷散热片（图414示）铝合金材质硬度相纯铝提高具价格低廉重量轻等优点导热性铜差电源散热言已足达需求水冷片散热性观通入水正常求言散热器坏散热片热传导力吸热力取决
（图412）
（图414）
342 PWM散热风扇
传统温控风扇利风扇轴承附测温探头实时进风温度进行测量反馈达风扇速度调控种温度控制方案然定程度解决温度问题控制精度较粗糙达高精度控制效果该方式般高速低速档位两级调控现电子科技发展根满足需求
PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制电路简称计算机领域工业领域项技术已广泛利控制方面例Intel板CPU直接温度监测系统连接通PWM控制散热风扇速度实现风扇转速变化率温度变化率成正PWM风扇（图413示）直接单片机输出PWM信号进行速度控制根单片机检测温度变化量通PID算法输出脉宽数值通单片机脉宽输出引脚输出应PWMPWM风扇机状态时慢速度运行样系统运行时候会太噪音相传统散热风扇具更速度控制范围更解决噪音速度问题
PWM智温控风扇简单理解普通风扇接入PWM控制芯片根接收频率PWM脉信号控制速度脉信号种方波周期方波信号高电占整信号幅度例说占空PWM脉控制风扇程成MOSG极接收高电信号时余两极会呈现导通现象成高电导通果G极接收低电余两极会高电默认低通MOS周期导通时间长短容易风扇速度进行控制实现风扇速度档位调节甚限档位
（图413）
4程序设计
41系统程序设计流程图
图51示STM32F1103芯片通电首先等温度传感器传递信号模数转换模块时单片机DAT输入引脚断扫描时SCK输出引脚断输出定频率时钟信号通HX711模块模拟信号转换数字信号单片机通运算出温度值先TFTLCD显示传感器状态然显示应温度传感器温度实际温度超者低设定值时通PID运算调节散热装置PWM信号计算出简单描述相应温度匹配相应PWM脉宽度达散热结构步运行果需调节低高温度时点击触摸屏相应区域通单片机LCD屏扫描判断属区块触摸压执行相应设置操作高温度降低低温度升高等等实现机交互完成次测量较会回程序检测程序次测量做准备
（图51）
42单片机控部分
421初始化程序设计
设计中功需定时器完成温度测量TFTLCD显示触摸屏触摸扫描等程序初始化阶段需TIM1_Int_Init(u16 arru16 psc)函数进行设置预分频系数重装载值进行初始化设置定时器工作方式进行设定初始化阶段必须设置系统时钟设置（Stm32_Clock_Init(9)）系统时钟进行倍频操作倍频数16倍接着串口进行初始化设定PCLK2时钟频率波特率串口通信工作做准备者控板LED显示函数进行初始化中包括输出模式设定LCD定义函数初始化LED复杂基设定外需断读取屏幕信号温度转换模块初始化PWM输出初始化（具体程序见附录）
422显示功程序设计
显示屏模块收指令第次输出dummy数效数第二次开始读取效GRAM数（坐标：SCSP开始）书橱规律：颜色分量占8位次输出2颜色分量R1G1：B1R2G2B2R3G3B3R4G4B4R5G5规律直延续
（图52）
首先设置STM32TFTLCD模块相连接IOTFTLCD模块相连IO口进行初始化边驱动LCD屏然根图53初始化序列硬件复位芯片复位复位电路控制初始化序列LCD控制器写入系列设置值（伽马校准）初始化序列般LCD供应商会提供客户样初始化LCD正常者通函数字符数字显示TFTLCD模块点处理步骤：设置坐标写GRAM指令写GRAM实现通次样步骤达显示字符数字坐标
（图53）
423 PID控制程序设计
设计中温控采PID调控般言PID调控皆闭环控制根风扇转速温度变化率PWM占空进行动调节达闭环控制效果PID算法中检测量实际设计值存偏差时会定标准进行调整例控制风扇电机转速时定风扇转速标准检测转速标准范围系统动增加者减PWM占空样组成反馈系统提闭环控制算法提PID闭环控制算法中简单种PID例积分 微分英文缩写分代表三种控制算法通三算法组合效纠正控制象偏差达稳定状态PID种线性控制算法偏差量等期值实际输出相减例环节控量趋减偏差趋势起信号放作积分环节消稳态误差微分环节具超前调节力PID控制控制偏差输入阶跃信号时立产生例微分控制中作偏差输入瞬时变化率非常微分控制作强微分控制作迅速衰减积分作越越直终消静差PID控制3种作加快系统响应速度减振荡克服超调义效消静差系统静态动态品质改善PID控制器工业控制中广泛应
工业程中连续控制系统理想PID控制规律：
式中Kp——例增益Kp例度成倒数关系
Tt——积分时间常数
TD——微分时间常数
u（t）——控制器输出信号
e（t）——定值r（t）测量值差
参考文献
[1] 王俊芳 王海斌 倪晓昌 刘晖 杨斐 杨旭 基电阻应变片式传感器电子秤设计实现[J] 智计算机应 2016(6)44
[2] 刘磊 基AD芯片HX711制桥式传感器[J] 数字技术应 2018(4)22
[3] 王晓 基ALIENTKE MiniSTM32开发板触摸屏实验[J] 电脑迷：数码生活（旬刊） 2014(3)33
[4]刘磊 基AD芯片HX711制桥式传感器[J] 数字技术应 2018(04)9999
[5] 张娜半导体激光器恒温控制理应吉林学学报(理版)200240(3)284287
[6] 彭晓原李适民 脉CO2激光器谐振开关电源变压器设计[J] 电力电子技术
19964（11）：1720
[7] 周志敏周纪海 开关电源实技术－设计应[M] 民邮电出版社 20038 (1)7071
[8] 唐文彦孙晓明周延周朱茂华半导体激光器高精度温度控制系统设计哈尔滨工业学学报199426(4)1012
[9]赵亮侯国锐单片机C语言编程实例[M]第版民邮电出版社20039
附录
（STM32F1系统 1）
（STM32F1系统 2）
（电源电路）
（程序烧录电路）
（LED电路）
（显示屏电路）
（AD转换电路）
（PCB正面）
（PCB反面）
（PCB实物图）
（实物连接图1）
（实物连接图2）
（测试图1）
（测试图2）
（PCB裸板1）
（PCB裸板2）
（HX711 AD转换模块）
（铂电阻）
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档
激光器电源高精度温度控制系统硬件设计
激光器电源高精度温度控制系统硬件设计
摘
着激光加工技术发展激光器断前发展激光器已成现代激光加工系统中必少核心部分激光器正常运行需稳定电源供应激光器电源激光器电源系统种受控供电系统决定着激光器运行状态硬件电路电路系统重组成部分设计合理性直接影响电路系统性
文激光器电源研究象工作温度进行高精度采集通AD转换器进行采集放温度模拟信号模拟信号转换STM32单片机接收数字信号电压信号MCU通实时检测温度散热扇转速运PID算法调控PWM占空达散热扇转速控制反馈数显示显示屏达激光器电源高精度温度控制文针激光电源发热问题提出种温度控制器硬件方案设计PCB电路分析散热性
关键词：激光器电源温度控制系统STM32单片机硬件电路设计PCB
Hardware design of laser power supply high precision temperature control system
Abstract
With the development of laser processing technology lasers are also constantly moving forward Lasers have become one of the indispensable core parts in modern laser processing systems The normal operation of the laser requires a stable power supply that is the laser power supply The laser power supply system is a controlled power supply system that determines the operating state of the laser The hardware circuit is an important part of the circuit system and the rationality of its design directly affects the performance of the circuit system
This thesis takes the laser power supply as the research object collects its working temperature with high precision collects and amplifies the temperature analog signal through the A D converter and converts the analog signal into a digital signal that can be received by the STM32 MCU that is the voltage signal The MCU detects the temperature and the speed of the cooling fan in real time and uses the PID algorithm to adjust the PWM duty cycle to control the speed of the cooling fan and the feedback data is displayed on the display screen thereby achieving highprecision temperature control of the laser power supply Aiming at the problem of heat generation of laser power supply this paper puts forward a hardware scheme of temperature controller designs PCB circuit and analyzes heat dissipation performance
Keywords laser power supply temperature control system STM32 microcontroller hardware circuit design PCB
目 录
1引言1
11温度控制系统应发展1
12意义1
13设计完成目标2
2具体实施方案证3
21高精度温度控制系统简介3
22实施方案证4
221控板电路4
222散热结构4
223温度测量控制部分5
224显示屏部分6
225系统框图6
3硬件整体设计7
31电源电路部分设计7
32单片机控部分设计9
321 STM32F103系统设计9
322触摸屏电路部分9
323 PWM输出部分11
33温度测量控制电路部分12
34散热结构14
341散热片 14
342 PWM散热风扇 15
4系统程序设计调试16
41系统程序设计流程图16
42单片机控部分17
421初始化程序设计17
422显示功程序设计17
423 PID算法程序设计18
参考文献 19
致谢20
附录21
1引言
11温度控制系统应发展
温度控制系统国国外已发展十分成熟国国温度控制系统会缺点国外相缺陷会较明显成熟温度控制系统般采点位控制方法PID算法控制精确性设计运较常PID算法PID算法般应较简单温度控制系统较高级智系统中国暂时没完善解决方案形成商品化高精度温度控制仪器开发提高着国济发展国家越越重视高新技术研发越越高精度仪器越越普国温度控制领域逐渐跨世界
现温度控制器集成电路控制器逐渐更新换代现高度智化控制器甚AI动学温度控制规律实现真正意义工智控制智控制器集成计算机技术微调控技术电子技术等控制器重输出温度数控制信号建立硬件开发基础通软件进行控制软件开发水直接者间接影响开发速度完整度现正处高速度高度集成总线集成化发展阶段
12意义
温度类社会中扮演着极重角色工业电子科技起着关键作水泥玻璃钢铁制造中基离开温度调控文中激光器电源样温度变化直接间接会电源输出力造成影响激光器类高精度设备容太误差算似微足道静电激光设备造成修复破坏温度调控许设备必须具功作温度控制生产需温度指标工业生产加工提供稳定环境生活生产中温度细节变化会决定生活生产质量适宜温度控制手段具重意义现代化工业根产品生产属性（生产工艺燃料金属熔点热处理方式等）进行温度处理种加热设备热处理设备反应炉等控制方面种控制方式PID调控DDC调控模糊控制等控制方式考虑温度控制激光器电源重文中探讨温度控制系统激光器电源领域发展应做出贡献
13设计完成目标
文提设计求够通单总线连接温度传感器实现资源利化系统中允许温度变化范围通AD转换温度传感器传递单片机模拟信号转换数字信号输送单片机单片机通程序设定温度传感器温度进行较运算分三温度传感器温度均值执行温度控制（散热加热）单片机通PID算法温度偏移量进行精确计算达温度偏移量单片机输出PWM信号成正达扇热器运行功率精准调控单片机连接TFTLCD触摸屏三组温度传感器状态应温度示数显示屏幕通触摸屏温度限进行设置查温度变化实时数通温度控制系统控板电脑相连接温度加热散热模式进行设置控制
述温度控制目标接完成工作较首先根设计需求需选择应温度传感器中包括传感器型号温度参数型号类型等设计中选择铂电阻温度传感器铂电阻精度高稳定性具定非线性规律总体组织变化温度变化成正设计A级±（015+0002|t|）初始阻值R0100ΩPt100铂电阻次需温度传感器传输模数转换模块信号进行放滤波通HX711模数转换芯片时钟脉数输出二进制补码信号铂电阻反馈回温度HX711芯片时转换两温度传感器数者选择显示设备达机交互目标设计中选择较便宜电阻触摸屏TFTLCD触摸屏体积较显示触摸功求全设计PCB板时候降低成
2具体实施方案证
21高精度温度控制系统简介
现代科技工业生产水日益提高领域中会涉温度控制系统特激光器电源类温度控制苛刻电子机器高精度温度控制系统显尤重控制温度力强弱直接影响机器运行状态例冶金行业温度直接影响产品品质实际应中温度控制会遇问题时候应中传感器属性信号转换芯片分辨率区会测量结果呈现非线性误差等情况建立数学模型方面较困难简单数学模型建立较简单果求精确度较高时候建立起会较困难PID算法控制时会较误差工业生产中会PID回路控制法卡尔曼滤波法误差进行控制见工业温度控制重视温度控制探讨十分价值
激光器电源高精度温度控制系统初步系统框图图31示
（图31）
22实施方案证
221板电路部分
芯片方案：STC89C51单片机进行控制51单片机价格便宜控制简单外围电路搭建较容易控制方面提供八位运算力数字信号处理速度显乏力甚说支撑样计算量
芯片方案二：运算力更STM32F1单片机该芯片ST公司出品部搭载Cortex3M核部集成定时器串口通信IICSPI通信模数数模转换CAN总线通信等种外设功芯片广泛应医疗设备PLC空调系统等等款中低端32位ARM微控制器相言STM32F1性方面优异51单片机功更强运算力更强设计选STM32F1搭载高精度温度控制系统较适合
222散热结构部分
方案：半导体制冷片作散热结构工作原理半导体接直流电源电流先P型半导体部分吸热部分然达N型半导体部分部分热量释放出进次PN模块会热量边产生边吸收达制冷制热目制冷端发热部位制热端需通普通散热风扇进行散热整体结构：半导体制冷器部分散热设计散热片部分传导冷温度制冷片两部分相邻组合起装置表面面度适宜超003毫米般结构导冷片位正面散热风扇辅助导冷散热片位反面样散热风扇辅助散热散热片制冷片紧紧贴合起考虑散热充分般会散热片表面涂散热胶（般硅脂）散热片贴起时需注意空间湿度适宜高80TEC112703制冷片温度特性例子工作温度超60摄氏度般激光器电源温度7090摄氏度间设计适合该方案
方案二：PWM脉调制调节风扇速度PWM控制风扇PWM信号直接加风扇电压控制端风扇输入电压时导通时断开达控制风扇转速效果实质PWM信号CPU传输PWM控制器PWM控制信号控制器低通滤波器滤PWM直流分量滤PWM直流分量控制晶体相应电压信号转化电机需驱动电压实现通控制器接收PWM信号改变控制器输出电压方案效稳定控制散热风扇工作功率减少外部电路制作成PWM散热风扇够稳定工作会电机加入霍尔测速时刻反馈风扇转速变化达闭环控制设计选带测速反馈PWM风扇实时检测风扇转速通PID调控达较稳定转速考虑散热片某情况（电源负载较时）散热片散热方面足设计水冷进行辅助性散热实现高效率散热选该方案
223温度测量控制部分
传感器方案：测温部分DS18B20温度传感器该传感器较常种温度传感器具功耗低体积抗干扰力强等特点DS18B20接线较方便支持单总线双数传输节省单片机IO口资源时需外围元件直接输出数字信号测温精度±05℃（分辨率0065）高精度温度控制系统求匹配
传感器方案二：测温部分选精度较高铂电阻PT100初始电阻R0100温度变化率电阻阻值变化率成正温度电阻曲线基呈现线性增长（图33示）测量范围200+850摄氏度设计采A级±（015+0002|t|）接触深度仅200nmPT100温度传感器具耐高压高温精度高稳定性等优点设计选精度较高铂电阻作测温传感器
（图33）
模数器方案：采较常ADC0809模数转换芯片该芯片8位逼式芯片具8模拟信号输入通道次选择路模拟信号进行AD转换转换输出结果0255间分应着0+5V间256电压值单片机必须转换输出结果转换成显示电压值般应中ADC0809够满足定需求设计中明显精确度分辨率运算力均足
模数器方案二：采HX711模数转换芯片该芯片然设计起初电子秤设计模数转换具错效果芯片部集成低噪声编程放器时钟震荡器动复位等外围电路24位模数转换芯片作款高精度AD转换芯片具转换精度高稳定性转换速度快部集成度高等特点AB通道选择需输入选择开关进行操作编程相简单符合设计需求
224显示屏部分
方案：采液晶显示该显示器价格较适中控制较简单操作性观赏性触摸显示屏需留出芯片端口液晶屏基样功相差较需搭配键组合达机交互功较浪费端口资源太美观
方案二：采TFTLCD触摸屏TFT三端器件功似开关原理栅极施加信号控制源极漏极电压电流场效应栅极作某素选通控制端源极作数写入端搭建成TFT驱动电路TFTLCD薄膜晶体液晶显示器设计显示器静态特性关扫描线数量提高液晶显示屏显示质量带电阻式触摸功实时检测电阻变化数判断屏幕触摸点坐标单片机端口数量允许情况选择TFTLCD较适宜具观赏性触摸控制更科技感代传统键控制设计更技术含量选择方案
225系统框图
激光器电源高精度温度控制系统终系统框图：
（系统硬件框图）
图套完整系统组成分控芯片供电电源温度转换模块机交互界面散热设备外设
3电路设计
31电源部分设计
设计电源部分分三电源区分12V5V33V中12V220V交流电通交直流转换器模块12V直流电源转换电路图41示电路直接接入220V交流电整流桥C02滤波输出300V直流高电压R7R6R5分压限流C05C01滤波电压信号传递二极D4利Q1D4R3R4组成低压保护电路传递D4电压低时候D4二极处导通状态时嵌入MOS开关芯片TOP204控制端C电位降低MOS关闭源极漏极导通关系时电压输出端电压0变压器T2初级绕组E1E1相连接瞬态抑制二极 D2二极D5组成钳位电路该绕组次级绕组E3组成变压器保证变压器稳定工作加入反馈绕组E2该部分C06R3R4C03D1组成反馈部分控制反馈回路零点E2端整流滤波控制信号直接作TOP204芯片C端控制部PWM脉宽占空输出电压高时候E2端电压升高导致TOP204C端输入电流增D端漏极电流流入通芯片部误差放器旁路调整器PWM控制输出电压保持稳定输出输出端E3输出电压肖特基二极D6D7输入电压方波进行整流通电解电容C08双瞬态二极D8进行削峰稳压12V电压
（图41）12V电源适配器原理图
输入出参数表
者DC12V转换DC5V供应板外设HX711模数转换模块TFTLCD触摸显示屏电源STM32F1单片机电源供电求33VDC5V必须转换DC33V供应单片机电路图图42示DC12V接口DCPWRCON接入电源通C33C32滤波进入LM294050稳压芯片输出端输出稳定5V直流电C29C28滤波进入AMS111733稳压芯片稳定33VC27C26输出单片机供电脚实现电源级转换D4D5反保护二极
（图42 电源电路）
32单片机控部分设计
321 STM32F103系统设计
STM32F103结构：芯体尺寸32位速度72MHz程序存储器容量256KB程序存储器类型FLASHRAM容量48K 48KB SRAM 256KB FLASH 2 基定时器 4 通定时器 2 高级定时器2 DMA 控制器（ 12 通道） 3 SPI 2 IIC 5 串口 1 USB 1 CAN 3 12 位 ADC 1 12 位 DAC 1 SDIO 接口 51 通 IO 口 该芯片性价极高（图44示）
基参数：
系列：STM32
芯体位宽：32位
高频：72MHz
连通性：CANI2CIrDALINSPIUARTUSARTUSB
外围设备：DMA电机控制PWMPDRPORPVDPWM温度传感器WDT晶振
输入输出数：51
程序存储器容量：256KB
程序存储器类型：FLASH
RAM容量：48K
电压电源(VccVdd)：2 V ~ 36 V
振荡器型：部
工作温度：40°C ~ 85°C
复位电路：图43示键时开关闭合电容充电放电特性电源通电容达RESET脚信号脉信号单片机RESET引脚接收脉信号单片机会复位说单片机高电复位
（图43 复位电路）
（图44 STM32F103引脚图）
时钟电路（晶振电路）：HSE作单片机时钟源够提供高精度时钟源般求高时候源晶振较适合选择般情况选择晶振滤波电容时候般会选择容值较样子减少起振时间会降低振荡器稳定性优点缺点晶振工作时候振荡波形控制峰值应该70通减者增加负载电容弥补峰峰值偏差单片机提供稳定时钟源
（图45 时钟电路）
322 TFTLCD触摸屏部分
TFTLCD 薄膜晶体液晶显示器（图46示）英文全称： Thin Film TransistorLiquid Crystal Display TFTLCD 源 TNLCD STNLCD 简单矩阵液晶显示屏象素设置薄膜晶体（TFT）效克服非选通时串扰显示液晶屏静态特性扫描线数关提高图质量 TFTLCD 做真彩液晶显示器该显示器分辨率320×24016位真彩显示带触摸功控制输入
图47示ALIENTEK TFTLCD 模块采16位方式外部连接 采 8位方式彩屏数量较尤显示图片时候果8位数线会16位方式慢倍然希速度越快越选择16位接口重信号端口：
CS： TFTLCD 片选信号
WR： TFTLCD 写入数
RD： TFTLCD 读取数
D[150]： 16 位双数线
RST：硬复位 TFTLCD
RS：命令数标志（0读写命令 1读写数）
（图46 TFTLCD显示屏）
（图47 TFTLCD屏部电路图）
33温度测量控制部分
设计实现高精度温度控制选精度较高铂电阻PT100作温度传感器AD转换芯片方面精度高HX711芯片然该芯片高精度称重研发压敏电阻热敏电阻模数转换样原理适合铂电阻模数转换现成转换模块供开发降低成接探讨HX711芯片
HX711（图48示）款24位AD转换器芯片STM32类嵌入式芯片编程连接较简单脚驱动全部控制信号部需寄存器进行编程通道A具128者64位编程增益相应值分正负40mV正负20mVB通道32位编程增益般作参数检测选择AB通道时通编程控制输入选择开关选择需通道芯片电源方面（般模拟电源）芯片部集成稳压电路直接输出模拟电源供转换器等外部设备部集成时钟振荡器芯片提供部时钟源设计中仅仅通道A传感器留出信号线根电路做出修改
（图48 HX711引脚图）
（图49）
图40示铂电阻测温信号进入HX711芯片7脚INNA里需注意数字信号电路模拟电路隔离开方法者0欧姆电阻隔离开温度测量原理温度传感器PT100加入全桥电路hx711测量出电阻变化转化压力HX711芯片部（图411示）运算放输出DOUT单片机通控制PD_SCK端口时钟频率DOUT中读取温度转换数字信号通软件换算准确温度值PT100高精度模数转换器款带基准恒流源24位模数转换模块该模块采进口基准芯片产生1MA恒定电流激励PT100铂电阻差分双输入形式抑制模干扰软件编程放器端24位AD模数转换器
（图410 AD转换电路图）
（图411）
34散热结构
341散热片
散热片数铜铝材料制成容易发热电气者电子器件提供散热电源器稳压变压器计算机CPU功率放器等等需散热器件表面涂层散热胶助热量传递散热片助散热片热量传递空气者液体中
设计中铝合金材质散热片（图412示）水冷散热片（图414示）铝合金材质硬度相纯铝提高具价格低廉重量轻等优点导热性铜差电源散热言已足达需求水冷片散热性观通入水正常求言散热器坏散热片热传导力吸热力取决
（图412）
（图414）
342 PWM散热风扇
传统温控风扇利风扇轴承附测温探头实时进风温度进行测量反馈达风扇速度调控种温度控制方案然定程度解决温度问题控制精度较粗糙达高精度控制效果该方式般高速低速档位两级调控现电子科技发展根满足需求
PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制电路简称计算机领域工业领域项技术已广泛利控制方面例Intel板CPU直接温度监测系统连接通PWM控制散热风扇速度实现风扇转速变化率温度变化率成正PWM风扇（图413示）直接单片机输出PWM信号进行速度控制根单片机检测温度变化量通PID算法输出脉宽数值通单片机脉宽输出引脚输出应PWMPWM风扇机状态时慢速度运行样系统运行时候会太噪音相传统散热风扇具更速度控制范围更解决噪音速度问题
PWM智温控风扇简单理解普通风扇接入PWM控制芯片根接收频率PWM脉信号控制速度脉信号种方波周期方波信号高电占整信号幅度例说占空PWM脉控制风扇程成MOSG极接收高电信号时余两极会呈现导通现象成高电导通果G极接收低电余两极会高电默认低通MOS周期导通时间长短容易风扇速度进行控制实现风扇速度档位调节甚限档位
（图413）
4程序设计
41系统程序设计流程图
图51示STM32F1103芯片通电首先等温度传感器传递信号模数转换模块时单片机DAT输入引脚断扫描时SCK输出引脚断输出定频率时钟信号通HX711模块模拟信号转换数字信号单片机通运算出温度值先TFTLCD显示传感器状态然显示应温度传感器温度实际温度超者低设定值时通PID运算调节散热装置PWM信号计算出简单描述相应温度匹配相应PWM脉宽度达散热结构步运行果需调节低高温度时点击触摸屏相应区域通单片机LCD屏扫描判断属区块触摸压执行相应设置操作高温度降低低温度升高等等实现机交互完成次测量较会回程序检测程序次测量做准备
（图51）
42单片机控部分
421初始化程序设计
设计中功需定时器完成温度测量TFTLCD显示触摸屏触摸扫描等程序初始化阶段需TIM1_Int_Init(u16 arru16 psc)函数进行设置预分频系数重装载值进行初始化设置定时器工作方式进行设定初始化阶段必须设置系统时钟设置（Stm32_Clock_Init(9)）系统时钟进行倍频操作倍频数16倍接着串口进行初始化设定PCLK2时钟频率波特率串口通信工作做准备者控板LED显示函数进行初始化中包括输出模式设定LCD定义函数初始化LED复杂基设定外需断读取屏幕信号温度转换模块初始化PWM输出初始化（具体程序见附录）
422显示功程序设计
显示屏模块收指令第次输出dummy数效数第二次开始读取效GRAM数（坐标：SCSP开始）书橱规律：颜色分量占8位次输出2颜色分量R1G1：B1R2G2B2R3G3B3R4G4B4R5G5规律直延续
（图52）
首先设置STM32TFTLCD模块相连接IOTFTLCD模块相连IO口进行初始化边驱动LCD屏然根图53初始化序列硬件复位芯片复位复位电路控制初始化序列LCD控制器写入系列设置值（伽马校准）初始化序列般LCD供应商会提供客户样初始化LCD正常者通函数字符数字显示TFTLCD模块点处理步骤：设置坐标写GRAM指令写GRAM实现通次样步骤达显示字符数字坐标
（图53）
423 PID控制程序设计
设计中温控采PID调控般言PID调控皆闭环控制根风扇转速温度变化率PWM占空进行动调节达闭环控制效果PID算法中检测量实际设计值存偏差时会定标准进行调整例控制风扇电机转速时定风扇转速标准检测转速标准范围系统动增加者减PWM占空样组成反馈系统提闭环控制算法提PID闭环控制算法中简单种PID例积分 微分英文缩写分代表三种控制算法通三算法组合效纠正控制象偏差达稳定状态PID种线性控制算法偏差量等期值实际输出相减例环节控量趋减偏差趋势起信号放作积分环节消稳态误差微分环节具超前调节力PID控制控制偏差输入阶跃信号时立产生例微分控制中作偏差输入瞬时变化率非常微分控制作强微分控制作迅速衰减积分作越越直终消静差PID控制3种作加快系统响应速度减振荡克服超调义效消静差系统静态动态品质改善PID控制器工业控制中广泛应
工业程中连续控制系统理想PID控制规律：
式中Kp——例增益Kp例度成倒数关系
Tt——积分时间常数
TD——微分时间常数
u（t）——控制器输出信号
e（t）——定值r（t）测量值差
参考文献
[1] 王俊芳 王海斌 倪晓昌 刘晖 杨斐 杨旭 基电阻应变片式传感器电子秤设计实现[J] 智计算机应 2016(6)44
[2] 刘磊 基AD芯片HX711制桥式传感器[J] 数字技术应 2018(4)22
[3] 王晓 基ALIENTKE MiniSTM32开发板触摸屏实验[J] 电脑迷：数码生活（旬刊） 2014(3)33
[4]刘磊 基AD芯片HX711制桥式传感器[J] 数字技术应 2018(04)9999
[5] 张娜半导体激光器恒温控制理应吉林学学报(理版)200240(3)284287
[6] 彭晓原李适民 脉CO2激光器谐振开关电源变压器设计[J] 电力电子技术
19964（11）：1720
[7] 周志敏周纪海 开关电源实技术－设计应[M] 民邮电出版社 20038 (1)7071
[8] 唐文彦孙晓明周延周朱茂华半导体激光器高精度温度控制系统设计哈尔滨工业学学报199426(4)1012
[9]赵亮侯国锐单片机C语言编程实例[M]第版民邮电出版社20039
附录
（STM32F1系统 1）
（STM32F1系统 2）
（电源电路）
（程序烧录电路）
（LED电路）
（显示屏电路）
（AD转换电路）
（PCB正面）
（PCB反面）
（PCB实物图）
（实物连接图1）
（实物连接图2）
（测试图1）
（测试图2）
（PCB裸板1）
（PCB裸板2）
（HX711 AD转换模块）
（铂电阻）
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
《香当网》用户分享的内容，不代表《香当网》观点或立场，请自行判断内容的真实性和可靠性！
该内容是文档的文本内容，更好的格式请下载文档
