激光器电源高精度温度控制器
系统算法研究
激光器电源高精度温度控制器系统算法研究
摘
激光器二十世纪重发明激光器极改变生活方式实际生产生活中稳定性耐性等方面激光器求极苛刻特温度控制系统方面温度极偏差会导致激光器输出波长频率受影响影响正常般说温度改变1摄氏度波长改变0203nm需实现激光器电源温度高精度控制
文设计种高精度温度控制系统算法方面设计采模糊PID控制算法该算法兼具模糊控制强抗干扰力PID控制算法消稳态误差两者优点时该算法通MATLAB软件SIMULINK工具箱进行系统仿真证根仿真结果搭建STM32控制核心温度控制系统通精密调节TEC电流方实现温度高精度控制
关键词：激光器 STM32 模糊控制 PID控制
The Research of Algorithm and Programming on Temperature Control System of Laser Diode
Abstract
Laser is one of the most important inventions of the 20th century and it has vastly changed people＇s lifestyle However it’s extremely demanding in terms of stability and durability in actual production especially the temperature control systems In addition even though the little change of temperature will alter the output of lasers’ wavelength and frequency then affecting normal use of laser According to the data for each degree Celsius of the temperature of the laser 0203nm of the wavelength will alter Therefore it is necessary to control the temperature of laser diode with highprecision
This paper presents a highprecision temperature control system of the laser In algorithm and programming the laser uses the fuzzy PID control algorithm which has both the strong antiinterference ability of fuzzy control and the advantages of PID control algorithm To take it a step further the algorithm has been demonstrated in the SIMULINK toolbox of MATLAB software Finally according to the result of simulation a temperature control system with STM32 as the control core was set up and the precise control of the current and direction of the TEC was achieved highprecision temperature control
Keywords Laser STM32 fuzzy control PID control
目录
1 前言 1
11设计目意义应达技术求 1
12设计国外发展概况存问题 1
13设计应解决问题 2
2激光器电源温度控制系统算法研究 2
21 PID控制原理理 2
22 智控制 4
23系统算法设计 9
3温度控制系统设计 10
31温控系统总体框架 10
32温度系统硬件总体介绍 11
33单片机软件处理模块设计 13
4系统仿真 15
41 MATLABSIMULINK简介 15
42系统仿真程 15
总结展 18
参考文献 20
谢 辞 21
附 录 22
1 前言
20世纪90年代末伴着工业革命Internet逐步普工业领域繁荣发展中光纤通信行业整领域中呈现发展迅猛状态光电子行业繁荣济科研军事医疗等领域起着代作工业发展越越离开激光器中砷化镓砷化镉硫化锌等半导体材料作工作物质半导体激光器受力欢迎效率达2040时具转换效率高集成度高体积价格低等优点成信息技术领域中必少核心器件广泛应光纤通信光盘激光雷达等[1]
半导体激光器电子转化光子器件工作程中常常会伴种非辐射种载流子损耗种损耗会导致激光器电源温度升系统温度升进导致激光器输出波长光损耗等方面受严重影响目前量产半导体激光器中电流恒定环境湿度恒定情况激光器电源系统温度升高度激光器输出波长会约增加0203nm[2]时激光器工作程中热损耗种损耗约占总功耗5070没时温度降措施会导致芯片温度快速升高造成系统稳定寿命降低激光器电源稳定快速温度控制系统非常重目前激光器发展中温度控制精度限定激光器应未广泛空间需断设计实验断提高激光器温度控制精确度
11设计目意义应达技术求
实际生产生活中部分工业控制系统采PID控制系统者模糊控制系统实际生产具确定素述两种控制模式均存定局限性例PID控制器较难建立精确数学模型模糊控制难消稳态误差种情况设计种新型控制系统控制理实际应发展着非常重意义
12设计国外发展概况存问题
国外公司学校研究致力提升激光器输出波长稳定性系统耐性断改善半导体激光器温度控制系统核心控制算法目前国外WAVELENGTHTHORLABS等公司生产激光器温度控制系统分辨率达0001摄氏度长期稳定性控制0005摄氏度具性高价格低等特点[3]相国生产激光器温度控制系统测温精度达002摄氏度左右分辨率较低需力改进时半导体激光器系统工作稳定性性算法等方面需改善激光器更加广泛应
半导体激光器发光原理根固体带理通定激励带杂质级间产生受激反射作采载流子复合发光方式[4]种发光方式导致半导体激光器工作时会产生较热量部分热量果没时散发会影响系统控板温度导致系统稳定导致LD输出功率波长受影响外影响设备年限够半导体激光器输出稳定目标输出波长需精确控制激光器LD二极温度温度出现波动够时调整严格减少LD输出工作波长波动够半导体激光器更进步应需致力改善激光器温度控制系统根动控制理断开发新算法实现高精度温度控制外提高半导体激光器温度控制精度设计更优控制算法仅够提高激光器应时促进信息航空航天等领域发展时光通信等行业进步发展着深远学术价值
13设计应解决问题
文激光器温度控制算法研究预期控制精度达01摄氏度设计首先基动控制理设计温度控制模型基础研究目前工业较PID算法模糊控制算法查阅文献解目前温度控制系统算法优化情况通分析算法优缺点结合工程会出现情况设计种模糊PID控制算法时分析激光器工程实际生产中会出现干扰情况MATLAB中SIMULINK工具模拟仿真算法温度模型控制效果通实物调试断优化实现激光器电源高精度温度控制达预期目标
2激光器电源温度控制系统算法研究
（1）文充分解恒温控制系统控制需求通查阅相关资料根动控制原理设计半导体激光器温度控制系统运MATLAB软件功SIMULINK功建立仿真模型断优化算法仿真断优化参数终兼具调节时间较短超调量稳态误差高精度温度控制系统保证激光器输出稳定波长
（2）设计采STM32f103作控芯片半导体TEC制冷加热功调节系统温度根设定温度实际温度单片机输出控制信号改变TEC工作电流方断激光器电源温度系统温度进行调整设定温度确保激光器处正常输出状态设计研究PID算法模糊控制算法模糊PID算法运传递函数形式分析控制精度优缺点终确定优传递函数
21 PID控制原理理
时生产中提高生产效率减少力成时完成复杂繁琐精密工作常会应动控制系统提高效益动化控制系统中反馈控制前馈控制序控制等方式中PID控制系统前馈控制系统实际生产中非常常种控制系统控制全称例积微分控制[5]根PID系统属性算法较简单鲁棒性时具性高优点PID算法深受研发员青睐广泛运精度求高工业控制中实际应领域中PID控制系统设计般微控制器者计算机条件进行根控制求调节PID控制器三参数调整优化控制系统
211 PID控制原理介绍
PID控制系统闭环控制中种系统运行时根控象反馈控制信号进行调节结构PID控制器执行器受控象等部分组成具体流程图图21示中PID控制器例环节积分环节微分环节三环节线性叠加组成设计程中通断验证优化三环节参数达稳定性快速性准确性三求优效果
图21 PID控制流程图
PID属线性控制器种般偏差值作输入信号中偏差值e(t)期值r(t)实际输出y(t)相减
etrt−y(t)
微控制器获偏差值进行例积分微分运算计算完成获三值进行线性组合构成控制量输出控象改善系统动态性控制算法表示：
ut[et+01etdt+TDde(t)dt
表示传递函数形式：
GsU(s)E(s)KP(1+1TIs+TDs)
中Kp例系数TI积分时间常数TD微分时间常数
例调节作：例调节起信号放作控制程中例控制部分加快系统响应速度系统偏差产生时候例环节运控量着偏差减方调整系统够稳定输出需信号例系数太会导致系统调整力度较出现较干扰情况法时恢复设定值调节时间较长增例系数增强系统灵敏度例系数会增加系统震荡次数导致系统稳定性幅降低时仅例环节难达系统理想控制状态系统存例环节控制时候系统会存稳态误差动态性较低
积分调节作：积分环节控制程中起消稳态误差作积分环节运够提高系统差度积分调节例环节存90度相位滞会系统稳定性相降低设备工作程中系统断较设定温度值系统温度值二者存偏差积分器便会直作积分调节运中需注意积分环节会调节器调整反应速度降低
微分调节作：微分环节具超前调节力相位例控制超前90度够预知系统偏差变化趋势够较缩系统调节时间系统偏差速度变化时候微分环节偏差速度减方起作
212 PID控制算法改进
计算机处理量计算时需PID算法进行数字化处理系统运行中需断e(t)进行累积会造成系统计算量需位置式PID算法优化增量式PID算法：
∆unKP{∆en+TTIen+TDT∆en−∆en−1}
增量式PID算法仅够减少处理器计算量时该算法控制量次采样值确定增量式PID控制算法够较准确判断系统前状态进步够获较输出状态系统稳定处理器计算存误差计算精度较低时输入参数次采样值偏差控制象影响较动态性提升系统抗干扰力提高
参数整定PID控制中核心部分PID算法中复杂部分参数整定方法直接反应系统调节精度品质中整定方法中较常动态特性参数法界例度法验试凑法等实际应中需控量输出波形次调试直获较满意控制参数[6]
22 智控制
智控制代表着工业发展水二十世纪中叶动控制理历典控制理现代控制理系统理智控制理四阶段工程中广泛运[7]着工业40普机器更取代类工作智控制蓬勃发展社会发展必然趋势智控制门新兴学科控制技术控制精度更高控制更加智成熟控制系统中越越运智控制包含模糊控制神网络控制专家控制遗传算法等种控制技术工程中根控制需求选择合适智控制算法根实际控制效果断调整更进步提高生产效率生产质量
221模糊控制
实际生产程中工程设备常常会出现未知确定规干扰常规控制模型难适应种模式根生活种规中存着确定关系模糊控制建立模糊模型基础根fuzzy理确定性领域扩模糊领域运模糊语言模糊推理手段实现系统稳定输出控制算法[8]中系统模糊模型需运模糊语言规描述知识根手动决策运语言加描述总结成if……then语句反映系统动态特性影响着系统性指标
传统控制系统中控制器设计基确定参数数学模型模型实际工程进行模拟实际生产运作中存外界确定干扰常常控制系统变稳定建立精确数学控制模型显十分困难设计种模糊控制数学控制模型着非常意义
般说模糊控制系统模糊控制器输入输出接口装置广义象传感器四部分组成基结构图图22示
图22 模糊控制系统基结构图
模糊控制器：模糊控制器模糊推理基础系统中起模糊决策作整模糊控制算法中核心组成成分部分微型计算机微型控制器系统运行中起着数处理作实际工程运中控制精度选择合适控制器控制器单片机设计中STM32单片机
输入输出接口装置：获取传感器传回数字信号根模糊计算规具体数进行模糊化处理模糊输入信号传送模糊控制器进行处理运算输出控制信号终通执行器控制控象
广义象：广义象控象执行机构两部分构成中控象通常带种确定干扰干扰会导致输出稳定执行机构作根传感器获取控象变化迅速准确控象调整正常状态
传感器：传感器获取控象参数种装置获取测量信息进行处理传输存储等通常非电量转化电信号种类型控制程中传感器起着关重作读取系统前状态准确性直接影响系统控制精度
模糊控制系统需实际工程验建立模糊规根工厂中工程师控制决策建立模糊决策模型建立需长期积累模糊控制系统控制质量部分取决模糊规制定终模糊决策
222模糊控制器
模糊控制系统设计程中核心部分模糊控制器设计该控制器模仿工控制工作方式提高控制质量工作程中起输入信号进行模糊化处理进行模糊推理合成解模糊作基结构图图23示功具体实现程首先传感器计算机获精确量数字信号转化模糊量信息然工程实际生产中研发员控制验者策略模糊量信息进行模糊推理模糊处理系统输出接口输出控制精确量信息终输出精确量控制信息传送执行器作控象控制系统正常工作
图23 模糊控制器基结构图
模糊控制器输入变量维数影响着系统控制精度实际工程中模糊控制器输入维度越高够直接系统控制精度越高情况模糊规设计模糊决策设计会更复杂较难实现般情况研发员选二维模糊控制器进行系统控制[9]
222模糊PID控制技术
传统PID够消稳态误差具简单稳定性等优点线整定参数法适应非线性时变系统模糊控制够计算机获数进行模糊化处理难消系统稳态误差模糊控制设计缺乏系统性动态品质较差难达高精度控制求高精度工业控制中果PID模糊控制算法相结合二者形成模糊参数整定PID控制器便解决述问题程需根控制验建立模糊控制隶属度函数增量式PID三参数进行整定
模糊PID控制思路：首先根温度传感器传回系统温度系统预先设定温度进行处理温度差e(t)温度差变化率d∆（e）然通模糊pid算法选取较合适KPKDKI出输出控制量实现系统温度控制
具体实现程：
（1）创建模糊PID控制器
模糊PID控制中输入信号e(t)：
etrt−y(t)
误差变化率d∆（e）：
d∆eet−et−1
设计首先假设误差e(t)域(33)误差e(t)具体值取33间然温度差划分模糊等级{ NB(负)NM(负中)NS(负)ZO(适中)PS(正)PM(中) PB(正) }左右称7级
第二步温度差变化率d∆（e）作样操作d∆（e）域设(11)模糊等级{ NBNMNSZOPSPMPB }
获输入量表：
域
模糊等级
e(t)
（33）
{NBNMNSZOPSPMPB}
d∆（e）
（11）
{NBNMNSZOPSPMPB}
表21 输入量模糊等级表
Kp Ki Kd三输出量表：
域
模糊等级
Kp
（010）
{ZOPS PMPB}
TI
（010）
{ZOPS PMPB}
TD
（010）
{ZOPS PMPB}
表22 输出量模糊等级表
（2）建立隶属度函数
隶属度函数表征模糊集合数学工具隶属函数设计种般高斯型般钟型梯型三角形等类型隶属度函数控制效果产生影响[10]设计根专家验法采三角形隶属度函数函数关系图24示：
图24 三角形隶属度函数规图
（3）创建模糊规表
根述步骤建立三角型隶属度函数创建误差误差变化率模糊规表具体表23示
KPKIKD
E(t)
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
d∆（e）
NB
PBZOPS
PBPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
NM
PBZOPS
PBPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
NS
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
ZO
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
PS
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
PM
PBZOPS
PMPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPBPS
PBZOPS
PB
PBZOPS
PMPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
表23 模糊控制规表
23系统算法设计
系统首先通温度传感器读回模拟信号进行AD转换获取系统前温度值系统温度设定值进行较通微控制器计算出温度偏差偏差变化率精确量述步骤获结果作模糊控制器输入通精确量进行模糊化微控制器预先储存模糊规模糊运算等步骤终获PID三控制参数通PID计算输出TEC控制量算法系统框图25示
图25 模糊整定PID参数控制系统框图
231 模糊化
模糊PID控制系统中模糊控制器作输出PID控制三参数工作程模糊量数值控制器通模糊量运算合成等方式实现系统控制计算机读取数精确值需计算机精确量进行模糊化处理模糊化具体程首先系统中温度传感器采样值变成模糊语言变量语言值算法隶属函数部分情况选三角形梯型高斯型分布控制器输入数值隶属度隶属函数图确定通定元素隶属度函数完成输入信号模糊化处理已完成模糊化数字信号进行步模糊运算
232模糊控制规
模糊规需根实际控制验实际中工厂工程师操作员操作验总结通模糊语言描述模糊条件语句集合模糊规直接决定控制系统品质需长期断积累
工厂中工程师操作员控制验进行策略化然种需模糊策略模糊蕴涵关系if……then集合起构成模糊规控制表[11]
根长期积累模糊蕴涵关系∆（e）进行分析
系统∆（e）较时减系统调节时间应该选择较KP较KD时减系统超调量应该微分调节减0
∆（e）处中等时应该减例环节作减少系统超调量
∆（e）较时应增积分微分调节系数提高系统稳定性
233模糊运算
模糊控制器设计工作中重步骤确定语言控制规类似if…then…语句控制精度控制规确定根控制精度需选择合适控制规控制规较情况控制系统反应时间会增加推理质量会降模糊控制器中模糊控制规设计时需根控制求选取恰数量控制规需正确控制形式
设计根控制需求采模糊推理计算两输入三输出模糊控制器输入温度传感器传回温度值设定值温度偏差∆（e）偏差变化率d∆（e）控制器模糊运算输出PID算法部分KPKDKI三控制参数
设计完成需通计算机仿真技术进行实验检查控制精度否达控制需求实际应中更减系统调节时间适应力通常根系统动静态特性进行算法简化
3温度控制系统设计
31温控系统总体框架
设计嵌入式单片机STM32F103作闭环负反馈温度控制系统控制核心运KEIL5软件进行编程ADC数模转化器进行 AD 转换获温度传感器铂电阻PT100采样温度控制器运算终输出控制TEC实现激光器稳定波长输出硬件电路整体框图图31示根工程控制验首先微控制器中设计模糊PID控制器根系统前状态系统参数进行整定通调节PWM占空场效应 MOSFET 通断终达改变温度调节器TEC电流方目系统处设定温度值范围半导体激光器处正常工作状态输出稳定波长
图31 硬件电路整体框架图
32温度系统硬件总体介绍
设计温度控制系统嵌入式单片机stm32控制核心温度传感器TEC半导体AD转换器液晶显示五部分组成实物控板图32示
图32 实物控板图
（1）嵌入式单片机stm32控制核心：采stm32f103RCT6作控芯片STM32F103RCT6cortexM3核部嵌入FLASHRAM高集成ICSTM32F103属32位ARM中低端型微控制器加入外部晶振高晶振频率达72MHz时钟周期约0014μs相51单片机机器周期更快系统更稳定符合激光器电源温度控制需求
（2）温度传感器：温度采样选取铂电阻PT100温度传感器目前工程应中高精度温度控制系统常温度传感器温度零时PT100电阻100欧姆着温度升阻值匀速增涨PT100测温范围零200正850摄氏度间测温精度达005满足激光器电源温度控制需求设计选铂电阻PT100温度传感器
（3）AD转换器：设计中AD转化器温度传感器获模拟信号转化成精确数字量信号器件AD转换器性直接影响温度控制质量设计采HX711作AD数模转化器款专电子秤设计模数转化器该芯片集成片振荡器稳压电源等模块具强抗干扰力选择10kHz80kHz传送速率
（4）TEC半导体制冷器：TEC精密温控中非常常材料特PCR温控激光器TEC属电流换型器件部含P型N型组构成电偶极子根珀尔贴效应直流电通入TEC电流方电偶节点处产生量转化造成吸热放热现象实现温控图33示实现控制系统调节零130度正90度温度范围
图33 TEC工作原理图
（5）液晶显示：设计采TFTLCD液晶显示屏作机交互界面液晶屏幕显示设定温度实际温度调节温度控制外直接通触控屏调节设定温度方便快捷设计中获取更准确温度三温度传感器STM32读回三传感器值进行运算获取均值作系统实时温度液晶控制界面图33示
图33 实物液晶界面图
33单片机软件处理模块设计
设计软件部分采模块化编程方法运C语言keil5软件进行编程程序包括：控程序模块系统参数初始化程序温度传感器值读取程序液晶显示程序模糊PID控制算法程序等
核心算法程序部分实现方式：程序中编写模糊关系应控制表存储单片机中系统次读回温度值首先设定值作较然通模糊PID算法进行模糊化处理接着查询控制表输出应值终送执行象半导体TEC中
stm32控制系统获取三温度传感器温度值进行均值计算计算结果显示液晶屏中时均值设定值进行较计算e（t）d∆（e）求e（t）d∆（e）作模糊PID控制器输入stm32微控制器模糊运算PIDKpTITD三控制参数通PID计算输出需控制值运pwm控制方式控制TEC电路电流方电流终实现激光器电源高精度温度控制程控制算法流程图图34示
图34 算法流程图
34硬件PCB设计
设计控制需求精度较高更提升系统抗干扰力充分考虑电磁兼容素运PCB绘制软件Altium Designer根原理图画出温度控制系统PCB版图图35示PCB板应提高系统抗干扰力提高电路稳定性设计效率
图35 温度控制系统硬件PCB图
4系统仿真
41 MATLABSIMULINK简介
MATLAB款强数学计算软件该软件时具备数学分析仿真软件等强功Matlab全称matrix&laboratory矩阵实验室应数学中矩阵知识处理种数统计规律模拟种模型数值分析科学数视化等众科学领域提供种强解决方案[12]
SIMULINKMATLAB软件非常常集成仿真环境量运非线性素机素处理 SIMULINK动态建模仿真分析等功提升科研开发进度受科研界学校工厂等领域力欢迎
42系统仿真程
（1）新建模糊控制器
a 启动Matlab命令行窗口输入fuzzy启动Fuzzy Logic Designer然创建两输入量三输出量分偏差偏差变化率例系数积分时间常数微分时间常数编辑输入输出量图41示
图41 MATLAB界面设置输入输出图
（2） 划分模糊等级
Add MFs添加七模糊等级编辑模糊等级应隶属度函数图42示
图42 MATLAB设计模糊划分界面图
（3） 创建模糊规表
模糊PID控制算法中重部分模糊规部分仿真操作需回Fuzzy Logic Designer界面EditRules模糊规表输入软件中图43示
图43 MATLAB创建模糊规表图
总结展
总结：
传统工业控制中较采纯模拟电路系统温度进行控制控制方式PID控制传统PID控制需出确定参数传统控制方法存电路设计较复杂时系统存确定干扰导致系统控制精度较低动态性较差等较足
现代控制系统中般数字控制系统数字控制系统利采样值离散微分方程进行求解种控制系统模拟控制系统相较控制精度更高控制范围更广时基数字信号身特性数字控制系统具较强动态性适应复杂变扰动然数字控制系统模拟控制系统复杂
基述素设计采现代控制理PID控制结合方法运模糊控制理PID系统参数进行整定半导体激光器系统温度进行调节模糊PID算法程首先计算输入值实际值偏差然根模糊控制PID算法计算出相应控制量通控制stm32控制输出pwm波控制TEC实现加热制冷通仿真表明模糊PID控制技术减少系统调节时间稳定误差提高系统动态特性激光器性
展：
设计仿真结果展示模糊PID控制算法行性证算法应激光器电源行性实际控制系统中存复杂非线性预测干扰量文展示算法激光器电源简化模型控制算法实际应需实际应中断优化工厂中断优化模糊控制模型提高实际应中控制精度
参考文献
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[4] 艾淑 半导体激光器恒温控制单元控制模式算法研究[D]东北师范学2005：3738
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[9] 陈友桂 数字化半导体激光二极驱动电源温度控制器研制[D]山西学2009：2224
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[11] 章卫国杨忠模糊控制理理应[M] 西安：西北工业学出版社20004864
[12] 李国勇 智控制 MATLAB 实现[M] 北京电子工业出版社2005
附 录
附录1
程序源代码
#include sysh
#include usarth
#include delayh
#include ledh
#include lcdh
#include ds18b20h
#include keyh
#include timerh
#include 24cxxh
#include touchh
float sum[3]{0}存放三组温度数数组
extern unsigned char DS18B20_ID[8][8] 检测传感器ID存数组
extern unsigned char DS18B20_SensorNum
extern float max值
extern float min值
5触控点颜色
电阻触摸屏测试函数
void rtp_test(void)
{
u8 key
u8 i0
while(1)
{
keyKEY_Scan(0)
tp_devscan(0)
if(tp_devsta&TP_PRES_DOWN) 触摸屏
{
if(tp_devx[0] {
if(tp_devx[0]>(lcddevwidth24)&&tp_devy[0]<16)Load_Drow_Dialog()清
else TP_Draw_Big_Point(tp_devx[0]tp_devy[0]RED) 画图
}
}else delay_ms(10) 没键时候
if(keyKEY0_PRES) KEY0执行校准程序
{
LCD_Clear(WHITE)清屏
TP_Adjust() 屏幕校准
TP_Save_Adjdata()
Load_Drow_Dialog()
}
i++
if(i200)LED0LED0
}
}
const u16 POINT_COLOR_TBL[CT_MAX_TOUCH]{REDGREENBLUEBROWNGRED}
int main(void)
{
static u16 led0pwmval70
u8 t0
u8 num0i0
int teminsum0 温度总数整数位
float temperatureSUM0
Stm32_Clock_Init(9) 系统时钟设置
uart_init(729600) 串口初始化9600
delay_init(72) 延时初始化
LED_Init() 初始化LED连接硬件接口
LCD_Init() 初始化LCD
tp_devinit()
TIM1_Int_Init(4997199)time(500*7200)7250ms
TIM1_3_PWM_Init(99719)PWM频率72000[(39+1)(71+1)]25Khz
TIM1_4_PWM_Init(99719)
POINT_COLORRED设置字体红色
LCD_ShowString(10102201616Temperature control design)
LCD_ShowString(10302001616DS18B20_1)
LCD_ShowString(10502001616DS18B20_2)
LCD_ShowString(10702001616DS18B20_3)
while(DS18B20_Init()) DS18B20初始化
{
LCD_ShowString(10902001616DS18B20 Error)
LCD_ShowString(91302001616Error)
LCD_ShowString(91502001616Error)
LCD_ShowString(91702001616Error)
printf(DS18B20 Check Failed＼r＼n)
delay_ms(200)
LCD_Fill(60130239130+16WHITE)
delay_ms(200)
}
printf(DS18B20 Ready＼r＼n)
LCD_ShowString(91302001616OK )
LCD_ShowString(91502001616OK )
LCD_ShowString(91702001616OK )
POINT_COLORBLUE设置字体蓝色
LCD_ShowString(10902001616Aver Temp C)
LCD_ShowString(101102001616Temp_1 C)
LCD_ShowString(101302001616Temp_2 C)
LCD_ShowString(101502001616Temp_3 C)
POINT_COLORGREEN
LCD_ShowString(10250606024 go up)
LCD_ShowString(90250606024 set)
LCD_ShowString(180250606024turn down)
LCD_DrawLine(0 200 240 200)
LCD_DrawLine(80 200 80 320)
LCD_DrawLine(160 200 160 320)
POINT_COLORBLUE
while(1)
{
DS18B20_Search_Rom()
if(t100)100ms读取次
{
num DS18B20_Search_Rom(3)存ROMID值
for(i0i {
temperatureDS18B20_Get_wd(i)
sum[i]DS18B20_Get_wd(i)
if(temperature<0)
{
LCD_ShowChar(10+55110＇＇160) 显示负号
temperaturetemperature 转正数
tem(int)temperature
}else
{
tem(int)temperature
LCD_ShowChar(60+55110＇ ＇160) 掉负号
}
LCD_ShowNum(10+55+8110+i*20(int)temperature216) 显示正数部分
LCD_ShowNum(10+55+32110+i*20(temperaturetem)*10116) 显示数部分
}
LCD_ShowString(10902001616Aver Temp C)
SUM(sum[0]+sum[1]+sum[2])3
insum(int)SUM
LCD_ShowNum(10+80+890(int)SUM216)
LCD_ShowNum(10+80+3290(SUMinsum)*10116)
}
if(SUM>max)温度应PWM输出
{
if((SUMmax)>100)led0pwmval10
else led0pwmval70(SUMmax)*7
}else if(SUM else led0pwmval50
FS_PWM_VALled0pwmval
FS1_PWM_VALled0pwmval
delay_ms(10)
t++
if(t20)
{
t0
LED0LED0
}
}
}
附录2
电路原理图
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激光器电源高精度温度控制器
系统算法研究
激光器电源高精度温度控制器系统算法研究
摘
激光器二十世纪重发明激光器极改变生活方式实际生产生活中稳定性耐性等方面激光器求极苛刻特温度控制系统方面温度极偏差会导致激光器输出波长频率受影响影响正常般说温度改变1摄氏度波长改变0203nm需实现激光器电源温度高精度控制
文设计种高精度温度控制系统算法方面设计采模糊PID控制算法该算法兼具模糊控制强抗干扰力PID控制算法消稳态误差两者优点时该算法通MATLAB软件SIMULINK工具箱进行系统仿真证根仿真结果搭建STM32控制核心温度控制系统通精密调节TEC电流方实现温度高精度控制
关键词：激光器 STM32 模糊控制 PID控制
The Research of Algorithm and Programming on Temperature Control System of Laser Diode
Abstract
Laser is one of the most important inventions of the 20th century and it has vastly changed people＇s lifestyle However it’s extremely demanding in terms of stability and durability in actual production especially the temperature control systems In addition even though the little change of temperature will alter the output of lasers’ wavelength and frequency then affecting normal use of laser According to the data for each degree Celsius of the temperature of the laser 0203nm of the wavelength will alter Therefore it is necessary to control the temperature of laser diode with highprecision
This paper presents a highprecision temperature control system of the laser In algorithm and programming the laser uses the fuzzy PID control algorithm which has both the strong antiinterference ability of fuzzy control and the advantages of PID control algorithm To take it a step further the algorithm has been demonstrated in the SIMULINK toolbox of MATLAB software Finally according to the result of simulation a temperature control system with STM32 as the control core was set up and the precise control of the current and direction of the TEC was achieved highprecision temperature control
Keywords Laser STM32 fuzzy control PID control
目录
1 前言 1
11设计目意义应达技术求 1
12设计国外发展概况存问题 1
13设计应解决问题 2
2激光器电源温度控制系统算法研究 2
21 PID控制原理理 2
22 智控制 4
23系统算法设计 9
3温度控制系统设计 10
31温控系统总体框架 10
32温度系统硬件总体介绍 11
33单片机软件处理模块设计 13
4系统仿真 15
41 MATLABSIMULINK简介 15
42系统仿真程 15
总结展 18
参考文献 20
谢 辞 21
附 录 22
1 前言
20世纪90年代末伴着工业革命Internet逐步普工业领域繁荣发展中光纤通信行业整领域中呈现发展迅猛状态光电子行业繁荣济科研军事医疗等领域起着代作工业发展越越离开激光器中砷化镓砷化镉硫化锌等半导体材料作工作物质半导体激光器受力欢迎效率达2040时具转换效率高集成度高体积价格低等优点成信息技术领域中必少核心器件广泛应光纤通信光盘激光雷达等[1]
半导体激光器电子转化光子器件工作程中常常会伴种非辐射种载流子损耗种损耗会导致激光器电源温度升系统温度升进导致激光器输出波长光损耗等方面受严重影响目前量产半导体激光器中电流恒定环境湿度恒定情况激光器电源系统温度升高度激光器输出波长会约增加0203nm[2]时激光器工作程中热损耗种损耗约占总功耗5070没时温度降措施会导致芯片温度快速升高造成系统稳定寿命降低激光器电源稳定快速温度控制系统非常重目前激光器发展中温度控制精度限定激光器应未广泛空间需断设计实验断提高激光器温度控制精确度
11设计目意义应达技术求
实际生产生活中部分工业控制系统采PID控制系统者模糊控制系统实际生产具确定素述两种控制模式均存定局限性例PID控制器较难建立精确数学模型模糊控制难消稳态误差种情况设计种新型控制系统控制理实际应发展着非常重意义
12设计国外发展概况存问题
国外公司学校研究致力提升激光器输出波长稳定性系统耐性断改善半导体激光器温度控制系统核心控制算法目前国外WAVELENGTHTHORLABS等公司生产激光器温度控制系统分辨率达0001摄氏度长期稳定性控制0005摄氏度具性高价格低等特点[3]相国生产激光器温度控制系统测温精度达002摄氏度左右分辨率较低需力改进时半导体激光器系统工作稳定性性算法等方面需改善激光器更加广泛应
半导体激光器发光原理根固体带理通定激励带杂质级间产生受激反射作采载流子复合发光方式[4]种发光方式导致半导体激光器工作时会产生较热量部分热量果没时散发会影响系统控板温度导致系统稳定导致LD输出功率波长受影响外影响设备年限够半导体激光器输出稳定目标输出波长需精确控制激光器LD二极温度温度出现波动够时调整严格减少LD输出工作波长波动够半导体激光器更进步应需致力改善激光器温度控制系统根动控制理断开发新算法实现高精度温度控制外提高半导体激光器温度控制精度设计更优控制算法仅够提高激光器应时促进信息航空航天等领域发展时光通信等行业进步发展着深远学术价值
13设计应解决问题
文激光器温度控制算法研究预期控制精度达01摄氏度设计首先基动控制理设计温度控制模型基础研究目前工业较PID算法模糊控制算法查阅文献解目前温度控制系统算法优化情况通分析算法优缺点结合工程会出现情况设计种模糊PID控制算法时分析激光器工程实际生产中会出现干扰情况MATLAB中SIMULINK工具模拟仿真算法温度模型控制效果通实物调试断优化实现激光器电源高精度温度控制达预期目标
2激光器电源温度控制系统算法研究
（1）文充分解恒温控制系统控制需求通查阅相关资料根动控制原理设计半导体激光器温度控制系统运MATLAB软件功SIMULINK功建立仿真模型断优化算法仿真断优化参数终兼具调节时间较短超调量稳态误差高精度温度控制系统保证激光器输出稳定波长
（2）设计采STM32f103作控芯片半导体TEC制冷加热功调节系统温度根设定温度实际温度单片机输出控制信号改变TEC工作电流方断激光器电源温度系统温度进行调整设定温度确保激光器处正常输出状态设计研究PID算法模糊控制算法模糊PID算法运传递函数形式分析控制精度优缺点终确定优传递函数
21 PID控制原理理
时生产中提高生产效率减少力成时完成复杂繁琐精密工作常会应动控制系统提高效益动化控制系统中反馈控制前馈控制序控制等方式中PID控制系统前馈控制系统实际生产中非常常种控制系统控制全称例积微分控制[5]根PID系统属性算法较简单鲁棒性时具性高优点PID算法深受研发员青睐广泛运精度求高工业控制中实际应领域中PID控制系统设计般微控制器者计算机条件进行根控制求调节PID控制器三参数调整优化控制系统
211 PID控制原理介绍
PID控制系统闭环控制中种系统运行时根控象反馈控制信号进行调节结构PID控制器执行器受控象等部分组成具体流程图图21示中PID控制器例环节积分环节微分环节三环节线性叠加组成设计程中通断验证优化三环节参数达稳定性快速性准确性三求优效果
图21 PID控制流程图
PID属线性控制器种般偏差值作输入信号中偏差值e(t)期值r(t)实际输出y(t)相减
etrt−y(t)
微控制器获偏差值进行例积分微分运算计算完成获三值进行线性组合构成控制量输出控象改善系统动态性控制算法表示：
ut[et+01etdt+TDde(t)dt
表示传递函数形式：
GsU(s)E(s)KP(1+1TIs+TDs)
中Kp例系数TI积分时间常数TD微分时间常数
例调节作：例调节起信号放作控制程中例控制部分加快系统响应速度系统偏差产生时候例环节运控量着偏差减方调整系统够稳定输出需信号例系数太会导致系统调整力度较出现较干扰情况法时恢复设定值调节时间较长增例系数增强系统灵敏度例系数会增加系统震荡次数导致系统稳定性幅降低时仅例环节难达系统理想控制状态系统存例环节控制时候系统会存稳态误差动态性较低
积分调节作：积分环节控制程中起消稳态误差作积分环节运够提高系统差度积分调节例环节存90度相位滞会系统稳定性相降低设备工作程中系统断较设定温度值系统温度值二者存偏差积分器便会直作积分调节运中需注意积分环节会调节器调整反应速度降低
微分调节作：微分环节具超前调节力相位例控制超前90度够预知系统偏差变化趋势够较缩系统调节时间系统偏差速度变化时候微分环节偏差速度减方起作
212 PID控制算法改进
计算机处理量计算时需PID算法进行数字化处理系统运行中需断e(t)进行累积会造成系统计算量需位置式PID算法优化增量式PID算法：
∆unKP{∆en+TTIen+TDT∆en−∆en−1}
增量式PID算法仅够减少处理器计算量时该算法控制量次采样值确定增量式PID控制算法够较准确判断系统前状态进步够获较输出状态系统稳定处理器计算存误差计算精度较低时输入参数次采样值偏差控制象影响较动态性提升系统抗干扰力提高
参数整定PID控制中核心部分PID算法中复杂部分参数整定方法直接反应系统调节精度品质中整定方法中较常动态特性参数法界例度法验试凑法等实际应中需控量输出波形次调试直获较满意控制参数[6]
22 智控制
智控制代表着工业发展水二十世纪中叶动控制理历典控制理现代控制理系统理智控制理四阶段工程中广泛运[7]着工业40普机器更取代类工作智控制蓬勃发展社会发展必然趋势智控制门新兴学科控制技术控制精度更高控制更加智成熟控制系统中越越运智控制包含模糊控制神网络控制专家控制遗传算法等种控制技术工程中根控制需求选择合适智控制算法根实际控制效果断调整更进步提高生产效率生产质量
221模糊控制
实际生产程中工程设备常常会出现未知确定规干扰常规控制模型难适应种模式根生活种规中存着确定关系模糊控制建立模糊模型基础根fuzzy理确定性领域扩模糊领域运模糊语言模糊推理手段实现系统稳定输出控制算法[8]中系统模糊模型需运模糊语言规描述知识根手动决策运语言加描述总结成if……then语句反映系统动态特性影响着系统性指标
传统控制系统中控制器设计基确定参数数学模型模型实际工程进行模拟实际生产运作中存外界确定干扰常常控制系统变稳定建立精确数学控制模型显十分困难设计种模糊控制数学控制模型着非常意义
般说模糊控制系统模糊控制器输入输出接口装置广义象传感器四部分组成基结构图图22示
图22 模糊控制系统基结构图
模糊控制器：模糊控制器模糊推理基础系统中起模糊决策作整模糊控制算法中核心组成成分部分微型计算机微型控制器系统运行中起着数处理作实际工程运中控制精度选择合适控制器控制器单片机设计中STM32单片机
输入输出接口装置：获取传感器传回数字信号根模糊计算规具体数进行模糊化处理模糊输入信号传送模糊控制器进行处理运算输出控制信号终通执行器控制控象
广义象：广义象控象执行机构两部分构成中控象通常带种确定干扰干扰会导致输出稳定执行机构作根传感器获取控象变化迅速准确控象调整正常状态
传感器：传感器获取控象参数种装置获取测量信息进行处理传输存储等通常非电量转化电信号种类型控制程中传感器起着关重作读取系统前状态准确性直接影响系统控制精度
模糊控制系统需实际工程验建立模糊规根工厂中工程师控制决策建立模糊决策模型建立需长期积累模糊控制系统控制质量部分取决模糊规制定终模糊决策
222模糊控制器
模糊控制系统设计程中核心部分模糊控制器设计该控制器模仿工控制工作方式提高控制质量工作程中起输入信号进行模糊化处理进行模糊推理合成解模糊作基结构图图23示功具体实现程首先传感器计算机获精确量数字信号转化模糊量信息然工程实际生产中研发员控制验者策略模糊量信息进行模糊推理模糊处理系统输出接口输出控制精确量信息终输出精确量控制信息传送执行器作控象控制系统正常工作
图23 模糊控制器基结构图
模糊控制器输入变量维数影响着系统控制精度实际工程中模糊控制器输入维度越高够直接系统控制精度越高情况模糊规设计模糊决策设计会更复杂较难实现般情况研发员选二维模糊控制器进行系统控制[9]
222模糊PID控制技术
传统PID够消稳态误差具简单稳定性等优点线整定参数法适应非线性时变系统模糊控制够计算机获数进行模糊化处理难消系统稳态误差模糊控制设计缺乏系统性动态品质较差难达高精度控制求高精度工业控制中果PID模糊控制算法相结合二者形成模糊参数整定PID控制器便解决述问题程需根控制验建立模糊控制隶属度函数增量式PID三参数进行整定
模糊PID控制思路：首先根温度传感器传回系统温度系统预先设定温度进行处理温度差e(t)温度差变化率d∆（e）然通模糊pid算法选取较合适KPKDKI出输出控制量实现系统温度控制
具体实现程：
（1）创建模糊PID控制器
模糊PID控制中输入信号e(t)：
etrt−y(t)
误差变化率d∆（e）：
d∆eet−et−1
设计首先假设误差e(t)域(33)误差e(t)具体值取33间然温度差划分模糊等级{ NB(负)NM(负中)NS(负)ZO(适中)PS(正)PM(中) PB(正) }左右称7级
第二步温度差变化率d∆（e）作样操作d∆（e）域设(11)模糊等级{ NBNMNSZOPSPMPB }
获输入量表：
域
模糊等级
e(t)
（33）
{NBNMNSZOPSPMPB}
d∆（e）
（11）
{NBNMNSZOPSPMPB}
表21 输入量模糊等级表
Kp Ki Kd三输出量表：
域
模糊等级
Kp
（010）
{ZOPS PMPB}
TI
（010）
{ZOPS PMPB}
TD
（010）
{ZOPS PMPB}
表22 输出量模糊等级表
（2）建立隶属度函数
隶属度函数表征模糊集合数学工具隶属函数设计种般高斯型般钟型梯型三角形等类型隶属度函数控制效果产生影响[10]设计根专家验法采三角形隶属度函数函数关系图24示：
图24 三角形隶属度函数规图
（3）创建模糊规表
根述步骤建立三角型隶属度函数创建误差误差变化率模糊规表具体表23示
KPKIKD
E(t)
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
d∆（e）
NB
PBZOPS
PBPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
NM
PBZOPS
PBPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
NS
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
ZO
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
PS
PBZOPS
PMZOPM
PSPMPB
ZOPBPB
PSPMPB
PMZOPM
PBZOPS
PM
PBZOPS
PMPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPBPS
PBZOPS
PB
PBZOPS
PMPSPS
PMPBPM
PSPBPB
PMPBPM
PBPSPS
PBZOPS
表23 模糊控制规表
23系统算法设计
系统首先通温度传感器读回模拟信号进行AD转换获取系统前温度值系统温度设定值进行较通微控制器计算出温度偏差偏差变化率精确量述步骤获结果作模糊控制器输入通精确量进行模糊化微控制器预先储存模糊规模糊运算等步骤终获PID三控制参数通PID计算输出TEC控制量算法系统框图25示
图25 模糊整定PID参数控制系统框图
231 模糊化
模糊PID控制系统中模糊控制器作输出PID控制三参数工作程模糊量数值控制器通模糊量运算合成等方式实现系统控制计算机读取数精确值需计算机精确量进行模糊化处理模糊化具体程首先系统中温度传感器采样值变成模糊语言变量语言值算法隶属函数部分情况选三角形梯型高斯型分布控制器输入数值隶属度隶属函数图确定通定元素隶属度函数完成输入信号模糊化处理已完成模糊化数字信号进行步模糊运算
232模糊控制规
模糊规需根实际控制验实际中工厂工程师操作员操作验总结通模糊语言描述模糊条件语句集合模糊规直接决定控制系统品质需长期断积累
工厂中工程师操作员控制验进行策略化然种需模糊策略模糊蕴涵关系if……then集合起构成模糊规控制表[11]
根长期积累模糊蕴涵关系∆（e）进行分析
系统∆（e）较时减系统调节时间应该选择较KP较KD时减系统超调量应该微分调节减0
∆（e）处中等时应该减例环节作减少系统超调量
∆（e）较时应增积分微分调节系数提高系统稳定性
233模糊运算
模糊控制器设计工作中重步骤确定语言控制规类似if…then…语句控制精度控制规确定根控制精度需选择合适控制规控制规较情况控制系统反应时间会增加推理质量会降模糊控制器中模糊控制规设计时需根控制求选取恰数量控制规需正确控制形式
设计根控制需求采模糊推理计算两输入三输出模糊控制器输入温度传感器传回温度值设定值温度偏差∆（e）偏差变化率d∆（e）控制器模糊运算输出PID算法部分KPKDKI三控制参数
设计完成需通计算机仿真技术进行实验检查控制精度否达控制需求实际应中更减系统调节时间适应力通常根系统动静态特性进行算法简化
3温度控制系统设计
31温控系统总体框架
设计嵌入式单片机STM32F103作闭环负反馈温度控制系统控制核心运KEIL5软件进行编程ADC数模转化器进行 AD 转换获温度传感器铂电阻PT100采样温度控制器运算终输出控制TEC实现激光器稳定波长输出硬件电路整体框图图31示根工程控制验首先微控制器中设计模糊PID控制器根系统前状态系统参数进行整定通调节PWM占空场效应 MOSFET 通断终达改变温度调节器TEC电流方目系统处设定温度值范围半导体激光器处正常工作状态输出稳定波长
图31 硬件电路整体框架图
32温度系统硬件总体介绍
设计温度控制系统嵌入式单片机stm32控制核心温度传感器TEC半导体AD转换器液晶显示五部分组成实物控板图32示
图32 实物控板图
（1）嵌入式单片机stm32控制核心：采stm32f103RCT6作控芯片STM32F103RCT6cortexM3核部嵌入FLASHRAM高集成ICSTM32F103属32位ARM中低端型微控制器加入外部晶振高晶振频率达72MHz时钟周期约0014μs相51单片机机器周期更快系统更稳定符合激光器电源温度控制需求
（2）温度传感器：温度采样选取铂电阻PT100温度传感器目前工程应中高精度温度控制系统常温度传感器温度零时PT100电阻100欧姆着温度升阻值匀速增涨PT100测温范围零200正850摄氏度间测温精度达005满足激光器电源温度控制需求设计选铂电阻PT100温度传感器
（3）AD转换器：设计中AD转化器温度传感器获模拟信号转化成精确数字量信号器件AD转换器性直接影响温度控制质量设计采HX711作AD数模转化器款专电子秤设计模数转化器该芯片集成片振荡器稳压电源等模块具强抗干扰力选择10kHz80kHz传送速率
（4）TEC半导体制冷器：TEC精密温控中非常常材料特PCR温控激光器TEC属电流换型器件部含P型N型组构成电偶极子根珀尔贴效应直流电通入TEC电流方电偶节点处产生量转化造成吸热放热现象实现温控图33示实现控制系统调节零130度正90度温度范围
图33 TEC工作原理图
（5）液晶显示：设计采TFTLCD液晶显示屏作机交互界面液晶屏幕显示设定温度实际温度调节温度控制外直接通触控屏调节设定温度方便快捷设计中获取更准确温度三温度传感器STM32读回三传感器值进行运算获取均值作系统实时温度液晶控制界面图33示
图33 实物液晶界面图
33单片机软件处理模块设计
设计软件部分采模块化编程方法运C语言keil5软件进行编程程序包括：控程序模块系统参数初始化程序温度传感器值读取程序液晶显示程序模糊PID控制算法程序等
核心算法程序部分实现方式：程序中编写模糊关系应控制表存储单片机中系统次读回温度值首先设定值作较然通模糊PID算法进行模糊化处理接着查询控制表输出应值终送执行象半导体TEC中
stm32控制系统获取三温度传感器温度值进行均值计算计算结果显示液晶屏中时均值设定值进行较计算e（t）d∆（e）求e（t）d∆（e）作模糊PID控制器输入stm32微控制器模糊运算PIDKpTITD三控制参数通PID计算输出需控制值运pwm控制方式控制TEC电路电流方电流终实现激光器电源高精度温度控制程控制算法流程图图34示
图34 算法流程图
34硬件PCB设计
设计控制需求精度较高更提升系统抗干扰力充分考虑电磁兼容素运PCB绘制软件Altium Designer根原理图画出温度控制系统PCB版图图35示PCB板应提高系统抗干扰力提高电路稳定性设计效率
图35 温度控制系统硬件PCB图
4系统仿真
41 MATLABSIMULINK简介
MATLAB款强数学计算软件该软件时具备数学分析仿真软件等强功Matlab全称matrix&laboratory矩阵实验室应数学中矩阵知识处理种数统计规律模拟种模型数值分析科学数视化等众科学领域提供种强解决方案[12]
SIMULINKMATLAB软件非常常集成仿真环境量运非线性素机素处理 SIMULINK动态建模仿真分析等功提升科研开发进度受科研界学校工厂等领域力欢迎
42系统仿真程
（1）新建模糊控制器
a 启动Matlab命令行窗口输入fuzzy启动Fuzzy Logic Designer然创建两输入量三输出量分偏差偏差变化率例系数积分时间常数微分时间常数编辑输入输出量图41示
图41 MATLAB界面设置输入输出图
（2） 划分模糊等级
Add MFs添加七模糊等级编辑模糊等级应隶属度函数图42示
图42 MATLAB设计模糊划分界面图
（3） 创建模糊规表
模糊PID控制算法中重部分模糊规部分仿真操作需回Fuzzy Logic Designer界面EditRules模糊规表输入软件中图43示
图43 MATLAB创建模糊规表图
总结展
总结：
传统工业控制中较采纯模拟电路系统温度进行控制控制方式PID控制传统PID控制需出确定参数传统控制方法存电路设计较复杂时系统存确定干扰导致系统控制精度较低动态性较差等较足
现代控制系统中般数字控制系统数字控制系统利采样值离散微分方程进行求解种控制系统模拟控制系统相较控制精度更高控制范围更广时基数字信号身特性数字控制系统具较强动态性适应复杂变扰动然数字控制系统模拟控制系统复杂
基述素设计采现代控制理PID控制结合方法运模糊控制理PID系统参数进行整定半导体激光器系统温度进行调节模糊PID算法程首先计算输入值实际值偏差然根模糊控制PID算法计算出相应控制量通控制stm32控制输出pwm波控制TEC实现加热制冷通仿真表明模糊PID控制技术减少系统调节时间稳定误差提高系统动态特性激光器性
展：
设计仿真结果展示模糊PID控制算法行性证算法应激光器电源行性实际控制系统中存复杂非线性预测干扰量文展示算法激光器电源简化模型控制算法实际应需实际应中断优化工厂中断优化模糊控制模型提高实际应中控制精度
参考文献
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International Conference on EProduct EService and EEntertainment2010
[4] 艾淑 半导体激光器恒温控制单元控制模式算法研究[D]东北师范学2005：3738
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[8] 刘江涛 基PID参数模糊整定半导体激光器温度控制系统研究[D]河北工业学2007：3540
[9] 陈友桂 数字化半导体激光二极驱动电源温度控制器研制[D]山西学2009：2224
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[11] 章卫国杨忠模糊控制理理应[M] 西安：西北工业学出版社20004864
[12] 李国勇 智控制 MATLAB 实现[M] 北京电子工业出版社2005
附 录
附录1
程序源代码
#include sysh
#include usarth
#include delayh
#include ledh
#include lcdh
#include ds18b20h
#include keyh
#include timerh
#include 24cxxh
#include touchh
float sum[3]{0}存放三组温度数数组
extern unsigned char DS18B20_ID[8][8] 检测传感器ID存数组
extern unsigned char DS18B20_SensorNum
extern float max值
extern float min值
5触控点颜色
电阻触摸屏测试函数
void rtp_test(void)
{
u8 key
u8 i0
while(1)
{
keyKEY_Scan(0)
tp_devscan(0)
if(tp_devsta&TP_PRES_DOWN) 触摸屏
{
if(tp_devx[0]
if(tp_devx[0]>(lcddevwidth24)&&tp_devy[0]<16)Load_Drow_Dialog()清
else TP_Draw_Big_Point(tp_devx[0]tp_devy[0]RED) 画图
}
}else delay_ms(10) 没键时候
if(keyKEY0_PRES) KEY0执行校准程序
{
LCD_Clear(WHITE)清屏
TP_Adjust() 屏幕校准
TP_Save_Adjdata()
Load_Drow_Dialog()
}
i++
if(i200)LED0LED0
}
}
const u16 POINT_COLOR_TBL[CT_MAX_TOUCH]{REDGREENBLUEBROWNGRED}
int main(void)
{
static u16 led0pwmval70
u8 t0
u8 num0i0
int teminsum0 温度总数整数位
float temperatureSUM0
Stm32_Clock_Init(9) 系统时钟设置
uart_init(729600) 串口初始化9600
delay_init(72) 延时初始化
LED_Init() 初始化LED连接硬件接口
LCD_Init() 初始化LCD
tp_devinit()
TIM1_Int_Init(4997199)time(500*7200)7250ms
TIM1_3_PWM_Init(99719)PWM频率72000[(39+1)(71+1)]25Khz
TIM1_4_PWM_Init(99719)
POINT_COLORRED设置字体红色
LCD_ShowString(10102201616Temperature control design)
LCD_ShowString(10302001616DS18B20_1)
LCD_ShowString(10502001616DS18B20_2)
LCD_ShowString(10702001616DS18B20_3)
while(DS18B20_Init()) DS18B20初始化
{
LCD_ShowString(10902001616DS18B20 Error)
LCD_ShowString(91302001616Error)
LCD_ShowString(91502001616Error)
LCD_ShowString(91702001616Error)
printf(DS18B20 Check Failed＼r＼n)
delay_ms(200)
LCD_Fill(60130239130+16WHITE)
delay_ms(200)
}
printf(DS18B20 Ready＼r＼n)
LCD_ShowString(91302001616OK )
LCD_ShowString(91502001616OK )
LCD_ShowString(91702001616OK )
POINT_COLORBLUE设置字体蓝色
LCD_ShowString(10902001616Aver Temp C)
LCD_ShowString(101102001616Temp_1 C)
LCD_ShowString(101302001616Temp_2 C)
LCD_ShowString(101502001616Temp_3 C)
POINT_COLORGREEN
LCD_ShowString(10250606024 go up)
LCD_ShowString(90250606024 set)
LCD_ShowString(180250606024turn down)
LCD_DrawLine(0 200 240 200)
LCD_DrawLine(80 200 80 320)
LCD_DrawLine(160 200 160 320)
POINT_COLORBLUE
while(1)
{
DS18B20_Search_Rom()
if(t100)100ms读取次
{
num DS18B20_Search_Rom(3)存ROMID值
for(i0i
temperatureDS18B20_Get_wd(i)
sum[i]DS18B20_Get_wd(i)
if(temperature<0)
{
LCD_ShowChar(10+55110＇＇160) 显示负号
temperaturetemperature 转正数
tem(int)temperature
}else
{
tem(int)temperature
LCD_ShowChar(60+55110＇ ＇160) 掉负号
}
LCD_ShowNum(10+55+8110+i*20(int)temperature216) 显示正数部分
LCD_ShowNum(10+55+32110+i*20(temperaturetem)*10116) 显示数部分
}
LCD_ShowString(10902001616Aver Temp C)
SUM(sum[0]+sum[1]+sum[2])3
insum(int)SUM
LCD_ShowNum(10+80+890(int)SUM216)
LCD_ShowNum(10+80+3290(SUMinsum)*10116)
}
if(SUM>max)温度应PWM输出
{
if((SUMmax)>100)led0pwmval10
else led0pwmval70(SUMmax)*7
}else if(SUM
FS_PWM_VALled0pwmval
FS1_PWM_VALled0pwmval
delay_ms(10)
t++
if(t20)
{
t0
LED0LED0
}
}
}
附录2
电路原理图
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