李志凌 王虎

【摘 要】设计了一种基于半导体制冷及PTC陶瓷加热技术的恒温杯控制系统，实现水杯的制冷、加热、恒温等功能。设计电路采用STM32F103系列单片机为控制器，通过防水型DS18B20数字温度传感器对水温进行数据采集，采用模糊PID算法合理精准控制水温;系统采用按键方式进行温度设定，采用OLED进行数据显示，利用报警电路实现温度提醒。经实验验证，半导体制冷时，水温可达到10℃以下;PTC加热时，水温达到90℃以上。

【关键词】STM32;半导体制冷;水温控制;模糊PID算法

1引言

饮水健康一直以来都是人们关注的问题，水温过高容易损伤口腔黏膜、食道以及胃肠粘膜，容易引发食道癌症。水温过低容易损伤肠胃，使身体过寒。水温在40℃对人体最为适宜。实现水温的精准控制不仅有益于我们的健康，还可以大大的提升生产效率，节约资源，提高生活品质。饮用水水杯水温控制也应运而生。前人对水杯温度控制已经做了一定的研究，如水杯加热采用PTC发热片，可以使水温达到90℃以上;使用半导体制冷片制冷。但半导体热面无散热装置，制冷效率不高。侯卫周等研究的温控智能水杯具有测温、加热调温功能，但不具有制冷功能。本文设计一种利用PTC加热，半导体制冷技术并结合模糊PID算法实现水温控制的恒温杯设计。通过按键设置温度，可满足不同场合、不同人群使用。

2系统硬件设计

2.1 硬件结构设计

本设计采用STM32F103系列单片机及PID闭环算法实现恒温杯温度控制。硬件设备主要有以下模块：MCU核心控制模块、电源电路、温度检测模块、驱动电路模块、按键模块、显示模块、报警模块、半导体制冷和PTC加热模块。图1为恒温杯控制系统框图。

整个恒温杯的闭环控制系统的核心是模糊PID控制算法。首先通过防水型DS18B20数字温度传感器采集温度数据，然后将采集到的温度数据写入FLASH中方便数据保存与擦写，防止断电丢失数据。将温度数据值转换成对应的温度值，由MCU控制将温度值传输给OLED显示屏进行实时温度显示。通过按键进行温度设定，将设定的温度值传送给MCU，利用PID温度算法，判断设定温度与测量温度的关系，如果设定温度大于实际测量的温度，则进行加热升温。如果设定温度小于测量温度，则控制驱动电路的电流流向，进行半导体制冷。然后使测量值逐渐接近设定值，并保持稳定，从而实现温度调节，达到恒温效果。当水温通过调节达到设置温度后，系统启动保温模式，此时声光提示电路工作提醒用户完成调温。

2.2 核心控制电路

核心控制电路主要由STM32F103C8T6处理器构成，还包括晶振、系统硬件上电复位电路等，STM32F103C8T6是32位微控制器，其低成本、低功耗、高性能的优良特性使其在嵌入式方面应用广泛。图2为核心控制电路原理图。

2.3 调温驱动电路

本设计的主控芯片采用3.3V电压，加热与制冷设备所需电压为12V，为了防止高电压对主控芯片造成不可逆的损坏，必须采用隔离驱动电路。温控驱动电路由隔离芯片和MOSFET器件搭建而成，器件型号分别为HCPL-2630和IRLR7843，调温驱动电路如图3所示。

2.4 显示电路

显示电路采用的是OLED显示器。OLED显示器的原理是基于有机材料的发光特性，制作工艺上是由超薄的有机材料的涂层和二氧化硅基板构成。OLED每个像素都是被一個电路独立驱动的，具有内置的电子电路系统，使用也较为方便。由于OLED显示器采用的是自发光技术，不需要任何背光源，功耗低。所以本设计采用OLED显示器。OLED电路如图4所示。

2.5 DS18B20测温电路

DS18B20为单线数字温度传感器，因此，可节约I/O资源，减少A/D转换电路设计，并且具备体积更小、经济、灵活等特点。测量温度范围为-55℃～+125℃。在-10℃～+85℃范围内，精度为0.5℃，完全能够满足本设计需要。并支持“一线总线”接口，提高了系统的抗干扰能力。封装好的DS18B20电路共有VCC、GND、数据线三根线。使用时数据线上需要加上拉电阻。测温电路如图5所示。

3模糊PID控制器的设计

3.1 PID控制原理

PID控制器即P（比例），I（积分），D（微分）控制。它是对给定值r（t）与实际输出值y（t）的偏差e（t）进行比例，积分，微分运算。它的数学表达示如下：

其离散形式如下：

3.2 模糊PID控制器

如果设定的速度为Vd，而当前的实际速度为Vr，则速度偏差e（t）=Vr-Vd，偏差变化率EC（t）=E（t）-E（t-1）。把速度偏差e（t）和偏差变化率EC（t-1）作为控制器的输入变量，而控制量KP、KI、KD为输出变量，编码器实时测量值c（t）为比较变量。控制器原理图如下：

根据操作人员经验，以及模糊规则确定方法，采用“IF A and B THEN C and D ”形式，通过反复实验对比，可以确立模糊控制规则。如表1所示：

由模糊控制规则可以确定模糊关系R，然后选择Mamdani型模糊逻辑推理系统，可以得出控制量的模糊集合为U=（EXEC）oR，经过模糊推理后，需要对模糊PID控制器调整的参数进行清晰化处理，以获得精确量。模糊量清晰化方法有很多，如最大隶属度法、面积法、重心法等，在本控制器中采用最大隶属度法。

4系统软件设计

系统主程序逻辑框图如图7所示。首先初始化外设模块，将DS18B20采集的温度数据通过OLED显示;然后进行温度判断;通过PID算法输出判断结果，启动加热或者制冷设备;最后温度恒定于设定值。水温调节采用PID闭环控制算法，DS18B20检测到的水温作为反馈信号，通过STM32单片机计算，控制PWM信号，进而控制MOSFET的通断，控制TEC1-12715或PTC陶瓷加热片工作，实现制冷或加热，完成水温调节。

5结语

经过理论计算及实验分析，发现PTC加热效果远优于帕尔贴的制冷效果，500mL水水温从90℃降到40℃需要15分钟左右;而从40℃制热到90℃的时间不足15分钟。采用PID的控制算法，能实现水温较为平稳精确地控制，并且具有较好的恒温效果，完全能够满足人们日常饮水需求。在制冷过程中会排放一定的废热，需要保持良好的通风环境，工作环境温度过高会影响制冷效果。

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通讯作者：

王虎（1986-），男，湖南益阳人，湖南交通工程学院，研究方向：机械电子工程。

基金项目：

2017年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目：多功能便携保温杯（988）

2018年湖南省普通高等学校教学改革研究项目：地方应用型高校新工科人才创新实践能力培养模式研究（18979）

（作者单位：湖南交通工程学院）