陈思远++鲍其莲

摘 要本文采用具有ARM Corex-M4内核的STM32F407ZGT6单片机与半导体加热制冷片TEC实现对蓝宝石镜头的恒温控制，通过K型热电偶和温度采集电路对蓝宝石镜头表面温度进行反馈，通过温度芯片ADT75检测镜头附近环境温度。设计的特点在于采用模糊控制实时调整PWM信号，快速达到环境温度并稳定下来；考虑了过温保护和过流保护，在温控回路电流或者蓝宝石玻璃温度两个指标中的任何一个超限时，PWM电源会自动切断，有效的满足了许多应用场合的安规要求。

【关键词】恒温控制 响应速度快 精度高 模糊控制

因为可视化技术在越来越多领域的应用，让高清摄像系统成为一种普遍的设计要求。高清摄像系统的性能指标不仅包括高成像品质，在很多场合下，保持镜头不起雾也是不可或缺的条件。镜头之所以会起雾主要是因为湿空气受到镜头表面的低温影响，析出液滴，在镜头表面形成凝结。故本恒温控制系统针对瞬时温差变化导致的镜头起雾现象，采用半导体加热制冷片TEC作为蓝宝石镜头玻璃表面的加热和制冷装置，通过模糊控制改变PWM（pulse-width modulation）占空比调节TEC温度，实现镜头玻璃快速达到环境温度并迅速稳定，有效的控制镜头起雾。

1 系统总体设计及工作原理

镜头恒温温控系统由单片机、温度传感器、K型热偶、温度采集电路、以及過温和过流保护电路、通信模块等部分组成。系统的工作原理为： 温控系统对周围环境温度实时采集，并将采集到的镜头表面温度和环境温度进行比对判断，如果镜头表面温度低于环境温度则开始提供PWM电压进而调节热电制冷器加热，直至镜头温度不低于环境温度并保持稳定；PWM占空比由微处理器通过模糊控制算法得到；当蓝宝石玻璃镜头表面温度达到或者超过环境温度则TEC停止加热。此外，当玻璃镜头表面温度超过镜头最高允许温度或者通过TEC的电流超过额定值时，微处理器会使能保护电路断开TEC两端回路。上位机通过CAN总线与微控制器进行通信，当保护电路触发时负责将报警信息传送给上位机记录和存储。

2 硬件设计

2.1 防雾系统主控电路设计

STM32系列高性能数字信号控制器被广泛应用于汽车电子，医疗器械，便携式检测仪表等领域。STM32F4是由ST公司研发的一款微处理器。它具有Cortex-M4内核，增强的DSP处理指令，高达1M字节的片上闪存，196K字节的内嵌SRAM，以168MHz高速运行时可达到210DMIPS的处理能力，同时兼具更快的通信接口和更高的采样率，配合良好的开发环境和最高可达105℃的运行环境温度，故本系统选择STM32F4作为微处理控制器。在设计STM32F4的最小系统时。采用ISP串口下载编程，通过USB/串口转换电路，使用USART1 TX 和 USART1 RX引脚完成代码下载。

2.2 温度采集电路

温度采集电路分为两个部分：环境温度采集电路和镜头温度采集电路。

环境温度采集电路的设计本着小型化的原则，选用ADT75作为环境温度采集传感器。ADT75是由ADI公司推出的一款12位温度-数字转换器。片内集成了一个温度传感器，此温度传感器会输出一个与绝对温度形成精确比例的电压，该电压在与内部基准电压相比较后，最终送达至精密数字调制器，从而实现环境温度精确测量。ADT75的温度分辨率高达0.0625℃，B级的整体精度为±1℃（0℃至+70℃范围），具有出色的传感器线性度；且体积小，采用节省空间的8引脚SOIC封装；功耗低，在输入电压3.3V下功耗典型值可低至69uW。

镜头温度采集电路的设计则为了达到更好的恒温控制效果，考虑镜头表面温度的测量精度，选择了K型热电偶配AD8495精密热电偶放大器再通过12位转换器MCP3201实现ADC转换，最终将镜头表面温度采集信号输入微处理器。AD8495是由ADI公司生产的一款集成了冷结温度补偿的放大器，它拥有高阻抗差分输入，低功耗和独立的5mv/℃温度计。对于使用环境0℃至50℃内，放大器的线性度更是可以精确到0.025℃/℃，解决了热偶自身线性大的缺点。镜头温度采集电路如图1。

电路图中的REF3318为放大器提供了1.8V的基准电压。所以可知AD8495的传递函数为

Tmj = （Vout– 1800mv）/（5mv/℃）

式中Tmj为热电偶测量结温。

经过校准后此系统的镜头温度采集精度在0～70℃可以达到±0.2℃。

2.3 温度控制电路

温度控制电路包括防雾系统保护电路和PWM温度控制电路。PWM温度控制电路是通过模糊控制来实时调整PWM的占空比，从而保证TEC可以快速将玻璃镜头加热到目标值并稳定下来。当加热时，输入端的小功率N型MOS管2N7002导通形成下拉电阻，在U1基极形成低电平，导通U1将负载与电源正极接通；输出端则通过高速MOSFET驱动器MCP1401提供高电平，将U2导通使得负载与电源地接通形成加热回路。当需要制冷时，则关闭U1和U2，同时用相同的方法导通U4和U5形成制冷回路。无论在加热还是制冷电路中，2N7002与MCP1401在提供基极电压的同时都起到了将微处理器与加热电路隔离开来以避免信号干扰的作用。

防雾系统保护电路分为镜头过温保护电路和TEC过流保护电路。对于镜头过温保护电路而言，当微处理器比较镜头温度超过了预设的阙值时，控制器会导通Q3从而关闭U2断开TEC加热回路。对于TEC过流保护电路而言，TEC电流会经过一个0.002欧姆的NTC热敏电阻，然后通过电流感应放大器INA214将NTC两端电压传输给微处理器，微处理器计算后得出TEC电流并与最大额定值比较，如果实际电流超过TEC最大额定电流，则同时导通Q5和Q2，关闭U1和U4，将TEC与电源正极断开。电路如图2所示，PWM电压为12V。

2.4 电源模块

在很多应用领域，防雾系统需要接入24V直流电源，所以要求防雾系统可以分别将外接电源转换成12V的PWM电压，和5V以及3.3V的供电电压。系统首先选用了TPS40077同步降压型控制器实现PWM电压转换，此降压型控制器不光拥有宽输入的特点 （4.5V至28V），且在输入范围内始终可以保持恒定的PWM增益，有效的降低了接入电压不稳定带来的恒温控制影响。其次，系统选用了LM22676精密降压稳压器为5V供电电压提供转换，此稳压器不仅同样拥有宽输入电压的特点（4.2V至42V），还可驱动高达3A负载，提供了卓越的电压和负载调节特性。最后，在3.3V的电压转换电路中选用了LMS8117低压降线性稳压器，0.2%线性调节和0.4%负载调节保证了芯片用电的稳定。

2.5 通信模块

在多数应用场合下，要求系统的通信模块可以实现多主控制，扩展性好，连接节点多，通信速度快，具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。基于以上要求，选择STM32F4自带基本扩展CAN 作为和上位机的通信模块，

由于STM32F4不支持CAN总线电平，所以在系统和上位机连接时，需要电平转换芯片。本系统选用的是TJA1050，在芯片CANH和CANL之间连接了一个12欧姆的电阻作为终端匹配电阻。

3 软件设计

3.1 总体软件设计方案

本系统软件的工作步骤为，首先初始化，然后启动安全辨识，采集温控电路中的电流ITEC且将其和最大允许通过TEC的额定电流ILIMIT比较；如果超限，那么立刻启动TEC过流保护切断温控电路电流，否则即通过温度采集电路采集玻璃镜头表面温度TL并与镜头允许最高温度TLIMIT比较；如果比较结果为启动保护电路，则系统立刻切断温控电路电流。

当系统顺利通过安全辨识后，则温度采集电路开始采集环境温度Te，并将其与之前采集到的玻璃镜头表面温度TL比较，如果镜头温度高于环境温度则起雾条件不存在，系统关闭温控电路；反之，将环境温度Te赋值于中间变量Ts，调用模糊控制函数计算PWM输出值，调节TEC温度输出。在调节过程中，系统不断循环安全辨识并反馈得到的环境温度和镜头温度，直到镜头温度达到或者超过环境温度，如图3所示。

3.2 模糊控制算法及其参数调整

系统采用模糊控制法，其实质是根据被控对象的输入值和输出值，计算出误差，再根据误差信号产生合适的控制作用输出给被控对象。

根据秦硕等在经过试验后，对于物镜温度响应的粗建模得到的传递函数为：

G（s） = 0.876 / [（1+1159s）*（1+312s）]

在此传递函数基础上，根据设计要求对控制系统构建以下模糊规则，如表1所示。

然后使用Matlab软件对模糊控制系统仿真分析，得到的阶跃响应如图4所示。

由图4显见且此控制系统可在1s内即达到设定温度，并使被控对象温度稳定下来，满足快速温变条件下的防雾系统设计要求。

4 结语

本课题介绍了基于STM32的镜头恒温防雾系统设计方法。系统从利用加热方法实现镜片防雾的应用出发，针对防雾系统热响应速度快和精度高的要求，通过精确的选型，完成硬件电路小型化和安全性设计。在温控系统数学建模中，通过使用模糊控制算法，达到了输出上升时间要求并降低了系统超调量，让系统既能很快达到环境温度，又能不使镜片过热，适用于快速温变条件下的防雾应用，具有一定的应用价值。

参考文献

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[6]秦碩，巩岩，于新峰等.热扰动条件下投影物镜温度响应的高精度建模[J].光学精密工程，2013，21（11）：2831.

作者简介

陈思远，现为美敦力医疗研发实验室高级主管。主要研究方向为可靠性工程和自动化控制。

鲍其莲，现为上海交通大学副教授。主要研究方向为导航与信息融合技术，智能控制，集成测试系统。

作者单位

上海交通大学仪器科学与工程系 上海市 200240