STM32帕爾貼加熱器軟件的模塊化設(shè)計(jì)

熊偉，耿瑯環(huán)

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

STM32帕爾貼加熱器軟件的模塊化設(shè)計(jì)

熊偉，耿瑯環(huán)

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

為解決市面上醫(yī)用加熱器成本較高、智能化程度較低、安全性較低的問題，本文設(shè)計(jì)一種基于STM32微控器的帕爾貼加熱器。使用較為常見的帕爾貼熱電半導(dǎo)體制冷器件和STM32微控器，針對(duì)帕爾貼加熱和制冷雙功能特性，搭建兩路以4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管為基礎(chǔ)元器件的H橋電路作為驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)智能化溫度控制以及按鍵控制多功能并顯示，體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)。另外，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行模塊化編程，使用μC/OS-II和PID優(yōu)化控制算法，不僅實(shí)現(xiàn)脫機(jī)工作，而且很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和實(shí)用性。

STM32；帕爾貼；H橋驅(qū)動(dòng)電路

引 言

隨著科技地不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量在不斷提高，平均壽命得到很大改善，中國(guó)在一步一步地走向老齡化社會(huì)，市場(chǎng)對(duì)于醫(yī)療設(shè)備與服務(wù)的保障提出了更高的要求。市面上大多數(shù)加熱器采用發(fā)熱管或PTC熱敏電阻作為發(fā)熱器件，只有加熱功能，而帕爾貼熱電半導(dǎo)體制冷片，不僅可以實(shí)現(xiàn)加熱的功能，還可以快速降溫，達(dá)到制冷的效果。由于帕爾貼熱電半導(dǎo)體制冷片工作方向都是由繼電器控制，此方案的缺點(diǎn)無(wú)法消除機(jī)械噪聲，并且會(huì)縮短帕爾貼的使用壽命，所以有必要設(shè)計(jì)一種既安全又可靠的環(huán)保型驅(qū)動(dòng)電路。

醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)除了要考慮便攜性、安全性，還要注重智能化、產(chǎn)業(yè)化。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的H橋驅(qū)動(dòng)電路，加入了轉(zhuǎn)換電壓電路保護(hù)功能，極大程度降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。采用性價(jià)比高的STM32作為控制核心芯片，與以往的HT46R 47控制芯片相比，配置更加豐富，使用更加靈活，順應(yīng)了當(dāng)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)低功耗的潮流。軟件設(shè)計(jì)程序使用μC/OS-II操作系統(tǒng)，可以更好地管理芯片內(nèi)存，實(shí)用性較強(qiáng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由STM32、H橋驅(qū)動(dòng)電路和電源電路組成，STM32作為控制主芯片，外圍電路有雙H橋驅(qū)動(dòng)模塊、帕爾貼散熱模塊、溫度采集模塊、電源電路模塊、顯示模塊及按鍵選擇模塊，主芯片控制各個(gè)模塊之間信號(hào)的傳遞與通信。加熱器是利用帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加熱或者制冷的，當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來(lái)決定，本設(shè)計(jì)使用改進(jìn)的H橋電路對(duì)帕爾貼半導(dǎo)體制冷片的方向進(jìn)行控制。試劑從冷庫(kù)里取出來(lái)，放在加熱器上面，有2個(gè)按鈕，1個(gè)按鈕控制一路帕爾貼。按下按鈕，加熱器從37 ℃加熱到65 ℃，然后從65 ℃降溫到37 ℃，最后保持恒溫37 ℃。每一路帕爾貼熱電半導(dǎo)體制冷片上下各放置一個(gè)風(fēng)扇，供其散熱。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 H橋驅(qū)動(dòng)電路

H橋電路一般用于控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)方向，簡(jiǎn)單的H橋電路由2個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管Q1B、Q2B與2個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)管Q3A、Q4A組成，如圖2所示。P型管在高電平時(shí)關(guān)閉；N型管在柵極高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”，4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中間為帕爾貼加熱或制冷輸出。

圖2 H橋電路基本原理電路圖

圖3 改進(jìn)H橋式驅(qū)動(dòng)加熱狀態(tài)

本設(shè)計(jì)的改進(jìn)H橋式驅(qū)動(dòng)電路，要使OUT1與OUT2之間有電流通過，必須使對(duì)角線上的一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通。改進(jìn)H橋式驅(qū)動(dòng)加熱狀態(tài)如圖3所示，給CTR1高電平，Q4導(dǎo)通，A點(diǎn)相當(dāng)于接地，為0 V，Q2B為P型場(chǎng)效應(yīng)管，柵極低電平時(shí)導(dǎo)通，Q2A為N型管，在柵極低電平時(shí)截止，則OUT1為12 V。同理給CTR2低電平，Q3截至，B點(diǎn)為12V，Q1A為N型場(chǎng)效應(yīng)管，此時(shí)為導(dǎo)通狀態(tài)，Q1B為P型場(chǎng)效應(yīng)管，此時(shí)為截止?fàn)顟B(tài)，OUT 2為0 V，所以電流從OUT1流向OUT2，OUT1和OUT2之間為帕爾貼元件，此時(shí)帕爾貼呈加熱狀態(tài)。

反之，給CTR1低電平，Q4截止，A點(diǎn)相當(dāng)于12 V，Q2B為P型場(chǎng)效應(yīng)管，柵極高電平時(shí)截止，Q2A為N型管，在柵極高電平時(shí)導(dǎo)通，則OUT1為0 V。若給CTR2高電瓶，Q3導(dǎo)通，B點(diǎn)接地為0 V，Q1A為N型場(chǎng)效應(yīng)管，此時(shí)為截止?fàn)顟B(tài)，Q1B為P型場(chǎng)效應(yīng)管，此時(shí)為導(dǎo)通狀態(tài)，OUT 2為12 V，所以電流從OUT2流向OUT1，此時(shí)帕爾貼呈制冷狀態(tài)，如圖4所示。Q2B和Q2A導(dǎo)通和截止相互切換的過程當(dāng)中，元器件電流變換有可能產(chǎn)生的惰性，為了防止短路，減小損傷元器件的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中加入EN1使能端電路。系統(tǒng)運(yùn)行，先給CTR1、CTR2高低電平，然后打開EN1，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的安全系數(shù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

μC/OS-II是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。此操作系統(tǒng)不僅最多可以支持256個(gè)任務(wù)，功能擴(kuò)展性強(qiáng)，而且可以很好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)或中斷能夠及時(shí)處理，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。帕爾貼加熱器的整體程序是通過在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上添加相應(yīng)的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里的三個(gè)任務(wù)分別是按鍵選擇、帕爾貼加熱(或者制冷控制)以及LED顯示，它們是通過信號(hào)量和消息列隊(duì)進(jìn)行同步和通信的。操作系統(tǒng)對(duì)3個(gè)模塊的程序分別進(jìn)行控制和調(diào)度，如圖5所示。

圖4 改進(jìn)H橋式驅(qū)動(dòng)制冷狀態(tài)

2.2 溫度控制程序

圖5 μC/OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

圖6 系統(tǒng)軟件主程序流程

整個(gè)系統(tǒng)軟件溫度控制程序包括初始化、按鍵選擇、溫度采集、優(yōu)化PID溫度控制算法、驅(qū)動(dòng)電路的控制。上電初始化完成之后，等待按鍵選擇一路加熱器進(jìn)行加熱操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將10個(gè)加熱槽進(jìn)行加熱處理，分為兩組，每組加熱操作對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵，若是觸發(fā)KEY1將對(duì)第一組的 5個(gè)加熱槽同時(shí)處理，若是觸發(fā)KEY2將對(duì)第二組的5個(gè)加熱槽同時(shí)處理。每一路加熱槽的試劑將從37 ℃加熱到65 ℃，然后從65 ℃降溫到37 ℃，最后一直保持恒溫37 ℃。軟件主程序流程如圖6所示。

2.3 PID控制優(yōu)化算法

PID控制即為調(diào)制器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制。由于本系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，且采用數(shù)字PID控制算法控制，最終公式如下：

該系統(tǒng)的帕爾貼加熱或制冷過程具有時(shí)滯特性的一階慣性環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的數(shù)字PID溫度控制算法無(wú)法解決精確加溫到65 ℃。為了防止PID控制反應(yīng)過慢，導(dǎo)致過加熱和過冷卻，設(shè)計(jì)中加入了溫度變化斜率的跟蹤。溫度斜率計(jì)算公式為：

式中,Slope為溫度變化斜率，t為溫度采集時(shí)間間隔，PVn、PVn-1分別為本次的溫度采集的數(shù)據(jù)和上次的溫度采集的數(shù)據(jù)。在加熱或制冷進(jìn)行當(dāng)中，一旦溫度變化斜率大于給定的值，帕爾貼停止工作，防止下一次PID計(jì)算之前試劑過加熱或者過冷卻。

圖7為PID控制優(yōu)化算法流程圖。

圖7 PID控制優(yōu)化算法流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)硬件H橋電路加入了保護(hù)電路，并對(duì)加熱器件進(jìn)行散熱處理，經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、功能穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。該加熱器可以有效完成試劑從37 ℃加熱加熱到65 ℃，然后降溫到37 ℃，最后恒溫37 ℃這一過程，圖8為試劑瞬時(shí)溫度測(cè)試結(jié)果。圖中參考線為37 ℃，最高加熱溫度為65 ℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到準(zhǔn)確升溫和降溫的要求。

圖8 溫度測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

[1] 曹陽(yáng). 醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)概述[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2015(8):109-112.

[2] 朱小松. 帕爾貼器件及其在控溫裝置中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,1990(12): 44-47.

[3] 王直,孫強(qiáng). 基于STM32的半導(dǎo)體制冷片控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2015(18):100-102，106.

[4] 錢青. 基于帕爾貼的溫度控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與開發(fā)[D].南京：東南大學(xué),2015.

[5] 李俊濤. 基于H橋驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體制冷片恒溫控制系統(tǒng)[J]. 北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010(5):464-466.

[6] 張鵬飛,齊曉慧. 基于N溝道MOS管H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制作[J]. 科技信息,2012(20):147-149.

[7] 陶凱,賴康生. 基于PWM控制H橋驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片的恒溫系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(4):131-133.

熊偉(在校研究生)， 主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；耿瑯環(huán)(在校研究生)，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜天宇.基于多MEMS傳感器數(shù)據(jù)融合的組合測(cè)姿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2015.

[2] 劉昆.基于多傳感器的同時(shí)定位與建圖[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] M Dissanayake, P Newman, S Clark, et al. Csorba. A solution to the simultaneous localization and map building problem[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation,2001,17(3):236.

[4] Sebastian Thrun, Wolffram Burgard, and Dieter Fox. Probabilistic Robotics[M]. Cambridge :The MIT Press,2005：128.

[5] 周鑫,朱楓.關(guān)于P3P問題解的唯一性條件的幾點(diǎn)討論[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2003,26(12):1697-1700.

[6] Li Xiaoran, Chen Mou, Zhang Lei. Quaternion-Based Robust Extended Kalman Filter for Attitude Estimation of Micro Quadrotors Using Low-cost MEMS[C]//In:Chinese Control Conference,New York,IEEE,2016:10712-10713.

[7] Jose-Luis Blanco. Derivation and Implementation of a Full 6D EKF-based Solution to Bearing-Range SLAM[M].Spain:Perception and Mobile Robots Research Group University of Malaga,2008:10-11.

尚明超(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧脚c智能控制；楊斌(碩士生導(dǎo)師)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用；張翠芳(碩士生導(dǎo)師)，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2017-02-24)

Software Modular Design of Peltier Heater Based on STM32

Xiong Wei,Geng Langhuan

(School of Electronic Information,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In order to solve the problems of high cost,low intelligence and low safety of medical heater on the market,a STM32-based Peltier heater is designed.The Peltier thermoelectric semiconductor refrigeration devices and STM32 chip are used.For the Peltier heating and cooling dual function,two H-bridge circuits are built as a driving circuit,each H-bridge circuit using four field effect transistors as a basic component.This design achieves the intelligent temperature control and key control multi-function and display,it is a kind of user-friendly design.In addition,the whole system is modularized programming.The use of μC/OS-II system and PID optimizates the control algorithm,not only achieves offline work,but also greatly improves the stability,accuracy and practicality of the system.

STM32;peltier;H bridge drive circuit

TP29

A

?迪娜

2017-02-16)