熊伟，耿琅环

(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

STM32帕尔贴加热器软件的模块化设计

熊伟，耿琅环

(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

为解决市面上医用加热器成本较高、智能化程度较低、安全性较低的问题，本文设计一种基于STM32微控器的帕尔贴加热器。使用较为常见的帕尔贴热电半导体制冷器件和STM32微控器，针对帕尔贴加热和制冷双功能特性，搭建两路以4个场效应管为基础元器件的H桥电路作为驱动电路，实现智能化温度控制以及按键控制多功能并显示，体现了人性化设计。另外，对系统各个模块进行模块化编程，使用μC/OS-II和PID优化控制算法，不仅实现脱机工作，而且很大程度上提高了系统的稳定性、精确性和实用性。

STM32；帕尔贴；H桥驱动电路

引 言

随着科技地不断进步、经济飞速发展，人们的生活质量在不断提高，平均寿命得到很大改善，中国在一步一步地走向老龄化社会，市场对于医疗设备与服务的保障提出了更高的要求。市面上大多数加热器采用发热管或PTC热敏电阻作为发热器件，只有加热功能，而帕尔贴热电半导体制冷片，不仅可以实现加热的功能，还可以快速降温，达到制冷的效果。由于帕尔贴热电半导体制冷片工作方向都是由继电器控制，此方案的缺点无法消除机械噪声，并且会缩短帕尔贴的使用寿命，所以有必要设计一种既安全又可靠的环保型驱动电路。

医疗设备的设计除了要考虑便携性、安全性，还要注重智能化、产业化。本设计采用改进的H桥驱动电路，加入了转换电压电路保护功能，极大程度降低了安全风险。采用性价比高的STM32作为控制核心芯片，与以往的HT46R 47控制芯片相比，配置更加丰富，使用更加灵活，顺应了当代电子产品设计低功耗的潮流。软件设计程序使用μC/OS-II操作系统，可以更好地管理芯片内存，实用性较强。

1 硬件设计

1.1 硬件总体结构

本系统硬件主要由STM32、H桥驱动电路和电源电路组成，STM32作为控制主芯片，外围电路有双H桥驱动模块、帕尔贴散热模块、温度采集模块、电源电路模块、显示模块及按键选择模块，主芯片控制各个模块之间信号的传递与通信。加热器是利用帕尔贴效应实现加热或者制冷的，当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定，本设计使用改进的H桥电路对帕尔贴半导体制冷片的方向进行控制。试剂从冷库里取出来，放在加热器上面，有2个按钮，1个按钮控制一路帕尔贴。按下按钮，加热器从37 ℃加热到65 ℃，然后从65 ℃降温到37 ℃，最后保持恒温37 ℃。每一路帕尔贴热电半导体制冷片上下各放置一个风扇，供其散热。其硬件结构图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

1.2 H桥驱动电路

H桥电路一般用于控制直流电机反转方向，简单的H桥电路由2个P型场效应管Q1B、Q2B与2个N型场效应管Q3A、Q4A组成，如图2所示。P型管在高电平时关闭；N型管在栅极高电平时导通，低电平时关闭，场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”，4个场效应晶体管中间为帕尔贴加热或制冷输出。

图2 H桥电路基本原理电路图

图3 改进H桥式驱动加热状态

本设计的改进H桥式驱动电路，要使OUT1与OUT2之间有电流通过，必须使对角线上的一对场效应晶体管导通。改进H桥式驱动加热状态如图3所示，给CTR1高电平，Q4导通，A点相当于接地，为0 V，Q2B为P型场效应管，栅极低电平时导通，Q2A为N型管，在栅极低电平时截止，则OUT1为12 V。同理给CTR2低电平，Q3截至，B点为12V，Q1A为N型场效应管，此时为导通状态，Q1B为P型场效应管，此时为截止状态，OUT 2为0 V，所以电流从OUT1流向OUT2，OUT1和OUT2之间为帕尔贴元件，此时帕尔贴呈加热状态。

反之，给CTR1低电平，Q4截止，A点相当于12 V，Q2B为P型场效应管，栅极高电平时截止，Q2A为N型管，在栅极高电平时导通，则OUT1为0 V。若给CTR2高电瓶，Q3导通，B点接地为0 V，Q1A为N型场效应管，此时为截止状态，Q1B为P型场效应管，此时为导通状态，OUT 2为12 V，所以电流从OUT2流向OUT1，此时帕尔贴呈制冷状态，如图4所示。Q2B和Q2A导通和截止相互切换的过程当中，元器件电流变换有可能产生的惰性，为了防止短路，减小损伤元器件的风险，设计中加入EN1使能端电路。系统运行，先给CTR1、CTR2高低电平，然后打开EN1，整个系统具有较高的安全系数。

2 软件设计

2.1 μC/OS-II实时操作系统

μC/OS-II是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。此操作系统不仅最多可以支持256个任务，功能扩展性强，而且可以很好地保证系统的实时性，对优先级最高的任务或中断能够及时处理，提高整个系统的效率。帕尔贴加热器的整体程序是通过在μC/OS-II实时操作系统上添加相应的任务来实现的，这里的三个任务分别是按键选择、帕尔贴加热(或者制冷控制)以及LED显示，它们是通过信号量和消息列队进行同步和通信的。操作系统对3个模块的程序分别进行控制和调度，如图5所示。

图4 改进H桥式驱动制冷状态

2.2 温度控制程序

图5 μC/OS-II操作系统设计框架

图6 系统软件主程序流程

整个系统软件温度控制程序包括初始化、按键选择、温度采集、优化PID温度控制算法、驱动电路的控制。上电初始化完成之后，等待按键选择一路加热器进行加热操作。系统设计将10个加热槽进行加热处理，分为两组，每组加热操作对应一个按键，若是触发KEY1将对第一组的 5个加热槽同时处理，若是触发KEY2将对第二组的5个加热槽同时处理。每一路加热槽的试剂将从37 ℃加热到65 ℃，然后从65 ℃降温到37 ℃，最后一直保持恒温37 ℃。软件主程序流程如图6所示。

2.3 PID控制优化算法

PID控制即为调制器控制规律为比例、积分、微分控制。由于本系统是闭环控制系统，且采用数字PID控制算法控制，最终公式如下：

该系统的帕尔贴加热或制冷过程具有时滞特性的一阶惯性环节，传统的数字PID温度控制算法无法解决精确加温到65 ℃。为了防止PID控制反应过慢，导致过加热和过冷却，设计中加入了温度变化斜率的跟踪。温度斜率计算公式为：

式中,Slope为温度变化斜率，t为温度采集时间间隔，PVn、PVn-1分别为本次的温度采集的数据和上次的温度采集的数据。在加热或制冷进行当中，一旦温度变化斜率大于给定的值，帕尔贴停止工作，防止下一次PID计算之前试剂过加热或者过冷却。

图7为PID控制优化算法流程图。

图7 PID控制优化算法流程图

3 系统调试

本系统硬件H桥电路加入了保护电路，并对加热器件进行散热处理，经运行测试，整个系统运行可靠、功能稳定，具有良好的动态品质。该加热器可以有效完成试剂从37 ℃加热加热到65 ℃，然后降温到37 ℃，最后恒温37 ℃这一过程，图8为试剂瞬时温度测试结果。图中参考线为37 ℃，最高加热温度为65 ℃，根据实验结果，本系统设计能够达到准确升温和降温的要求。

图8 温度测试结果

结 语

[1] 曹阳. 医疗设备产业发展趋势概述[J]. 医疗卫生装备,2015(8):109-112.

[2] 朱小松. 帕尔贴器件及其在控温装置中的应用[J]. 电子技术应用,1990(12): 44-47.

[3] 王直,孙强. 基于STM32的半导体制冷片控制系统设计[J]. 电子设计工程,2015(18):100-102，106.

[4] 钱青. 基于帕尔贴的温度控制实验平台的研究与开发[D].南京：东南大学,2015.

[5] 李俊涛. 基于H桥驱动电路的半导体制冷片恒温控制系统[J]. 北华大学学报：自然科学版,2010(5):464-466.

[6] 张鹏飞,齐晓慧. 基于N沟道MOS管H桥驱动电路设计与制作[J]. 科技信息,2012(20):147-149.

[7] 陶凯,赖康生. 基于PWM控制H桥驱动半导体制冷片的恒温系统[J]. 工业控制计算机,2013(4):131-133.

熊伟(在校研究生)， 主要研究方向为信号与信息处理；耿琅环(在校研究生)，主要研究方向为信号与信息处理。

参考文献

[1] 姜天宇.基于多MEMS传感器数据融合的组合测姿系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2015.

[2] 刘昆.基于多传感器的同时定位与建图[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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,朱枫.关于P3P问题解的唯一性条件的几点讨论[J].计算机学报,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(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式与智能控制；杨斌(硕士生导师)，主要研究方向为嵌入式系统应用；张翠芳(硕士生导师)，主要研究方向为智能控制。

(责任编辑：杨迪娜 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)