激光器电源温度控制系统硬件设计

摘要随着激光加工技术的发展，激光器也在不断向前发展，激光器已成为现代激光加工系统中必不可少的核心部分之一。激光器的正常运行需要有稳定的电源供应，即激光器电源，激光器电源系统是一种受控供电系统，决定着激光器运行的状态。硬件电路是电路系统的重要组成部分，其设计的合理性直接影响电路系统的性能。本论文以激光器电源为研究对象，对其工作温度进行高精度采集，通过A/D转换器进行采集放大温度模拟信号，把模拟信号转换为STM32单片机可以接收到的数字信号，即电压信号，后MCU通过实时检测温度与散热扇的转速运用PID算法调控PWM占空比达到对散热扇的转速控制，并反馈数据显示在显示屏上，从而达到激光器电源高精度温度控制，本论文针对激光电源的发热问题，提出了一种温度控制器的硬件方案，设计了PCB电路，分析了散热性能。关键词：激光器电源；温度控制系统；STM32单片机；硬件电路设计；PCBHardwaredesignoflaserpowersupplyhighprecisiontemperaturecontrolsystemAbstractWiththedevelopmentoflaserprocessingtechnology,lasersarealsoconstantlymovingforward.Lasershavebecomeoneoftheindispensablecorepartsinmodernlaserprocessingsystems.Thenormaloperationofthelaserrequiresastablepowersupply,thatis,thelaserpowersupply.Thelaserpowersupplysystemisacontrolledpowersupplysystemthatdeterminestheoperatingstateofthelaser.Thehardwarecircuitisanimportantpartofthecircuitsystem,andtherationalityofitsdesigndirectlyaffectstheperformanceofthecircuitsystem.Thisthesistakesthelaserpowersupplyastheresearchobject,collectsitsworkingtemperaturewithhighprecision,collectsandamplifiesthetemperatureanalogsignalthroughtheA/Dconverter,andconvertstheanalogsignalintoadigitalsignalthatcanbereceivedbytheSTM32MCU,thatis,thevoltagesignal.TheMCUdetectsthetemperatureandthespeedofthecoolingfaninrealtimeandusesthePIDalgorithmtoadjustthePWMdutycycletocontrolthespeedofthecoolingfan,andthefeedbackdataisdisplayedonthedisplayscreen,therebyachievinghigh-precisiontemperaturecontrolofthelaserpowersupply.Aimingattheproblemofheatgenerationoflaserpowersupply,thispaperputsforwardahardwareschemeoftemperaturecontroller,designsPCBcircuitandanalyzesheatdissipationperformance.Keywords:laserpowersupply;temperaturecontrolsystem;STM32microcontroller;hardwarecircuitdesign;PCB目录1引言11.1温度控制系统的应用与发展11.2意义11.3本设计要完成的目标22具体实施方案的论证32.1高精度温度控制系统简介32.2实施方案的论证42.2.1主控板电路42.2.2散热结构42.2.3温度测量与控制部分52.2.4显示屏部分62.2.5系统框图63硬件整体设计73.1电源电路部分设计73.2单片机主控部分设计93.2.1STM32F103最小系统设计93.2.2触摸屏电路部分93.2.3PWM输出部分113.3温度测量与控制电路部分123.4散热结构143.4.1散热片...143.4.2PWM散热风扇..154系统程序的设计与调试164.1本系统程序设计流程图164.2单片机主控部分174.2.1初始化程序设计174.2.2显示功能程序设计174.2.3PID算法程序设计18参考文献19致谢20附录21PAGE41引言1.1温度控制系统的应用与发展温度控制系统无论在国内还是国外都已经发展得十分成熟，但在我国国内温度控制系统还是会有很多的缺点，和国外相比缺陷会比较明显。成熟的温度控制系统一般采用“点位”控制方法和PID算法控制，其精确性各有不同，本设计运用了较为常用的PID算法。PID算法一般只能应用于一些比较简单的温度控制系统，在一些较为高级和智能的系统中国内暂时还没有完善的解决方案，形成商品化的高精度温度控制仪器的开发也有待提高。随着我国经济的发展，国家也越来越重视高新技术的研发，越来越多的高精度仪器也越来越普及，我国在温度控制领域也逐渐跨向世界。现今，温度控制器从集成电路控制器逐渐更新换代到现在的高度智能化的控制器，甚至可以AI自动学习温度控制的规律，实现真正意义上的人工智能控制，智能控制器是集成了计算机技术，微调控技术和电子技术等的控制器，最重要的是它能输出温度数据与控制信号，而且其也是建立在硬件开发基础上通过软件进行控制的，软件的开发水平也直接或者间接影响到其开发的速度与完整度，现在正处于高速度、高度集成、总线集成化的发展阶段。1.2意义温度在人类社会中扮演着极为重要的角色，无论是工业上的还是电子科技上都起着关键的作用，比如在水泥、玻璃和钢铁的制造当中基本上都离不开温度的调控，本文中的激光器电源也一样，温度的变化直接或间接地会对电源的输出能力造成影响，像激光器这一类高精度的设备是容不下太大的误差的，就算是看似微不足道的静电也可能对激光设备造成不可修复的破坏。温度的调控是许多设备必须具有的功能，其主要作用是将温度控制在生产所需要的温度指标之内，为工业上的生产和加工提供稳定的环境。在生活和生产中温度的细节变化是会决定生活和生产的质量的，因此适宜的温度控制手段是具有重要的意义的，现代化工业上根据不同产品的生产属性（生产工艺，如燃料、金属熔点、热处理的方式等）要对其进行温度上的处理如使用各种加热设备、热处理设备、反应炉等，在控制方面有多种控制方式，如PID调控、DDC调控还有模糊控制等控制方式。考虑到温度控制对激光器电源如此的重要，因此在本论文中主要探讨温度控制系统为激光器电源领域的发展和应用做出贡献。1.3本设计要完成的目标本论文提及的的设计要求是能够通过单总线连接多个温度传感器实现资源利用的最大化，系统中允许的温度变化的最大范围内通过A/D转换把温度传感器传递给单片机的模拟信号转换为数字信号输送给单片机，单片机通过程序上设定的温度对传感器温度进行比较运算分别得到三个温度传感器的温度的平均值的大小，从而执行温度的控制（散热/加热），并且单片机通过PID算法对温度的偏移量进行精确计算，达到温度的偏移量与单片机输出的PWM信号成正比达到扇热器运行功率的精准调控。单片机连接TFTLCD触摸屏，把三组温度传感器的状态和其对应温度的示数显示在屏幕上，并可以通过触摸屏对温度的上下限进行设置和查看温度变化的实时数据，并可以通过温度控制系统主控板与电脑相连接对温度与加热/散热模式进行设置和控制。得到上述的温度控制目标接下来要完成的工作比较多，首先，根据设计的需求需要选择对应的温度传感器，其中包括传感器的型号、温度参数、型号类型等，在本设计中选择的是铂电阻温度传感器，铂电阻精度高、稳定性好，其具有一定的非线性规律但总体上组织的变化与温度的变化成正比，本设计使用的是A级±（0.15+0.002|t|）初始阻值为R0=100Ω的Pt100铂电阻；其次，需要对温度传感器传输到模数转换模块的信号进行放大和滤波，通过HX711模数转换芯片依据时钟脉冲的个数输出二进制补码信号从而得到铂电阻反馈回来的温度，一个HX711芯片最多可以同时转换两个温度传感器的数据；再者选择显示设备达到人机交互的目标，本设计中选择的是较为便宜的电阻触摸屏TFTLCD触摸屏，由于其体积较小显示和触摸功能求全，那么在设计PCB板的时候就可以大大降低成本了。2具体实施方案论证2.1高精度温度控制系统简介现代科技和工业生产水平日益提高，在很多领域中都会涉及到温度控制系统，特别是像激光器电源这一类对温度控制苛刻的电子机器，高精度的温度控制系统显得尤其重要，控制温度能力的强弱直接影响到机器运行的状态，例如在冶金行业温度直接影响产品的品质，而在实际应用中温度控制往往也会有遇到问题的时候，在应用中由于传感器的属性和信号转换芯片的分辨率的区别会使测量结果呈现非线性、大误差等的情况，而在建立数学模型方面也比较困难，对于简单的数学模型建立还是较为简单的，如果要求精确度较高的时候那么建立起来就会比较困难，因此在使用PID算法控制时也是会有比较小的误差的，在工业生产中会使用PID回路控制法与卡尔曼滤波法对误差进行控制，可见工业对温度控制的重视，对于温度控制的探讨是十分有价值的。以下是激光器电源高精度温度控制系统的初步系统框图如图3.1所示（图3.1）2.2实施方案论证2.2.1主板电路部分芯片方案一：使用STC89C51单片机进行控制，51单片机价格便宜控制简单，外围电路搭建也较为容易，但是在控制方面只能提供八位的运算能力，在数字信号处理速度上显得乏力甚至可以说支撑不了这样的计算量。芯片方案二：使用运算能力更好的STM32F1单片机，该芯片为ST公司出品，其内部搭载Cortex-3M内核，其内部集成了定时器、串口通信、IIC、SPI通信、模数/数模转换、CAN总线通信等多种外设功能的芯片，其广泛应用于医疗设备、PLC、空调系统等等，是一款中低端的32位ARM微控制器，相比而言STM32F1在性能方面优异与51单片机，功能更强大，运算能力更强，因此本设计选用STM32F1来搭载高精度温度控制系统是比较适合的。2.2.2散热结构部分方案一：使用半导体制冷片作为散热结构，其工作原理是半导体接上的直流电源后，电流先是经过P型半导体，在这一个部分为吸热部分，然后到达N型半导体部分，此部分为又将热量释放出来，进过一次PN模块就会有热量在一边产生在一边被吸收，从而达到制冷和制热的目的。制冷端用于发热部位，制热端需要通过普通的散热风扇进行散热。整体结构：半导体制冷器一部分是为了散热而设计的散热片，一部分是用于传导冷却温度的制冷片，两部分相邻且组合在一起，装置表面的平面度不适宜超过0.03毫米，一般的结构为导冷片位于正面且有散热风扇辅助导冷，散热片位于反面，同样有散热风扇辅助散热，散热片制冷片紧紧贴合在一起，由于考虑到散热的不充分，一般会在散热片表面上涂上散热胶（一般使用硅脂）并与散热片贴在一起，在使用时需要注意空间湿度不适宜高于80%，以TEC1-12703制冷片的温度特性为例子，其工作温度不得超过60摄氏度，而一般的激光器电源的温度在70到90摄氏度之间，因此本设计不适合使用该方案。方案二：使用PWM脉冲调制调节风扇速度，PWM控制风扇使用的PWM信号并不是直接加在风扇的电压控制端，对风扇的输入电压一时导通一时断开而达到控制风扇转速的效果，实质上PWM信号从CPU的传输到PWM控制器，PWM控制信号经过控制器的低通滤波器过滤得到PWM的直流分量，依靠过滤得到的PWM直流分量控制晶体管把相应的电压信号转化为电机所需要的驱动电压，从而实现通过控制器接收到的PWM信号改变控制器的输出电压。此方案能有效并稳定地控制散热风扇的工作功率减少外部电路和制作成本，为了使PWM散热风扇能够稳定地工作会在电机上加入霍尔测速，时刻反馈风扇的转速变化达到闭环控制。本设计选用的是带有测速反馈的PWM风扇，实时检测风扇的转速，通过PID调控达到比较稳定的转速。考虑到散热片在某些情况下（电源负载较大时）散热片在散热方面的不足，本设计使用水冷进行辅助性散热，实现高效率散热，因此选用该方案。2.2.3温度测量与控制部分传感器方案一：测温部分使用DS18B20温度传感器，该传感器是较为常用的一种温度传感器，其具有功耗低、体积小、抗干扰能力强等特点，并且DS18B20接线比较方便可以支持单总线双向数据传输，大大节省了单片机的I/O口资源，在使用时不需要任何的外围元件，直接就可以输出数字信号，但其测温的精度只在±0.5℃（分辨率在0.065），因此与高精度温度控制系统的要求不匹配。传感器方案二：测温部分选用精度较高的铂电阻PT100，其初始电阻为R0=100，且温度的变化率与电阻阻值的变化率成正比，温度-电阻曲线基本上呈现线性增长（如图3.3所示），测量范围在-200到+850摄氏度，本设计采用的是A级±（0.15+0.002|t|）,最小接触深度仅为200nm，PT100温度传感器还具有耐高压高温、精度高、稳定性好等优点，因此本设计选用了精度较高的铂电阻作为测温传感器。（图3.3）模数器方案一：采用较为常用的ADC0809模数转换芯片，该芯片是8位逼近式的芯片，其具有8个模拟信号输入通道，但是每一次只能选择一路模拟信号进行A/D转换，转换输出结果在0-255之间分别对应着0到+5V之间的256各电压值，因此单片机必须把转换输出的结果转换成可以显示的电压值，在一般的应用当中ADC0809能够满足一定的需求，在本设计中明显精确度、分辨率和运算能力均有不足。模数器方案二：采用HX711模数转换芯片，该芯片虽然设计的起初是为了电子秤而设计的，但是在模数转换上具有不错的效果，此芯片是内部集成了低噪声可编程放大器、时钟震荡器、自动复位等外围电路的24位模数转换芯片，作为一款高精度的A/D转换芯片其具有转换精度高、稳定性好、转换速度快和内部集成度高等的特点，在A、B通道选择上也只需要对其输入选择开关进行操作，编程相对简单，符合本设计的需求。2.2.4显示屏部分方案一：采用液晶显示，该显示器价格较为适中，控制较为简单，但是操作性和观赏性不及触摸显示屏，需要留出的芯片端口与液晶屏基本一样但是功能相差较多，而且需要搭配按键才能组合达到人机交互的功能，比较浪费端口资源，不太美观。方案二：采用TFTLCD触摸屏，TFT为三端器件，其功能可以看似一个开关管的原理，其在栅极施加信号从而控制源极和漏极的电压和电流，把场效应管的栅极作为某一个像素的选通控制端，把源极作为数据的写入端，以此搭建成TFT的驱动电路。因此TFT-LCD为薄膜晶体管液晶显示器，其在设计上使显示器的静态特性无关于扫描线的数量，提高了液晶显示屏的显示质量，并且其带有电阻式触摸功能，实时检测电阻变化的数据从而判断屏幕的被触摸点的坐标，在单片机端口数量允许的情况下选择TFTLCD也是较为适宜的，并且其具有观赏性，触摸控制更有科技感，代替传统的按键控制，使本设计更有技术含量，因此选择此方案。2.2.5系统框图激光器电源高精度温度控制系统最终系统框图如下：（系统硬件框图）从上图可得一套完整的系统组成可分为主控芯片、供电电源、温度转换模块、人机交互界面、散热设备和其他外设。3电路设计3.1电源部分设计本设计电源部分分为三个电源区，分别是12V、5V和3.3V，其中12V是由220V交流电通过交直流转换器模块得到12V直流电源，转换电路如图4.1所示，此电路直接接入220V交流电，经过整流桥和C02滤波后输出300V的直流高电压，再经过R7、R6、R5的分压限流后，由C05、C01滤波后将电压信号传递到二极管D4，利用Q1、D4、R3和R4组成的低压保护电路，在传递到D4的电压过低的时候D4二极管处于导通状态，此时嵌入了MOS管的开关芯片TOP204的控制端C的电位降低，则MOS管关闭了源极和漏极的导通关系，此时电压输出端电压为0。变压器T2的初级绕组为E1，与E1相连接的瞬态抑制二极管D2和二极管D5组成的钳位电路，该绕组与次级绕组E3组成变压器，为了保证变压器的稳定工作，加入了反馈绕组E2，该部分由C06、R3、R4、C03和D1组成反馈部分，主要控制反馈回路的零点，E2端经过整流滤波后得到了控制信号直接作用于TOP204芯片的C端控制其内部的PWM脉宽的占空比，在输出电压过高的时候E2端电压升高从而导致TOP204的C端输入电流增大，D端漏极有电流流入通过芯片内部的误差放大器和旁路调整器由PWM控制输出电压，保持稳定输出。在输出端E3输出电压经过肖特基二极管D6和D7对输入的电压方波进行整流最后通过电解电容C08与双向瞬态二极管D8进行削峰稳压后得到12V电压。（图4.1）12V电源适配器原理图输入/出参数表再者，DC12V转换为DC5V供应主板外设如HX711模数转换模块和TFTLCD触摸显示屏的电源，而STM32F1单片机的电源供电要求为3.3V，因此DC5V还必须转换为DC3.3V以供应单片机使用，电路图如图4.2所示DC12V接口DC-PWRCON接入电源通过C33与C32滤波进入LM2940-5.0稳压芯片，在其输出端输出为稳定的5V直流电，后经过C29和C28滤波进入AMS1117-3.3稳压芯片稳定在3.3V经过C27与C26之后输出到单片机供电管脚实现电源的多级转换，D4与D5为反向保护二极管。（图4.2电源电路）3.2单片机主控部分设计3.2.1STM32F103最小系统设计STM32F103的结构：芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K、48KBSRAM、256KBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口，该芯片性价比极高。（如图4.4所示）基本参数：系列：STM32芯体位宽：32位最高主频：72MHz连通性：CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB外围设备：DMA，电机控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，温度传感器，WDT，晶振输入/输出数：51程序存储器容量：256KB程序存储器类型：FLASHRAM容量：48K电压-电源(Vcc/Vdd)：2V~3.6V振荡器型：内部工作温度：-40°C~85°C复位电路：如图4.3所示当按键被按下时，开关闭合由于电容充电放电的特性使电源通过电容在到达RESET管脚的信号为脉冲信号，当单片机RESET引脚接收到脉冲信号是，单片机就会被复位，也可以说单片机是高电平复位。（图4.3复位电路）（图4.4STM32F103引脚图）时钟电路（晶振电路）：使用HSE作为单片机的主时钟源能够提供一个高精度的时钟源，一般在使用要求不是很高的时候，无源晶振是一个比较适合的选择。一般情况下在选择晶振的滤波电容的时候一般会选择容值比较小的，这样子就可以减少起振的时间，但是会降低振荡器的稳定性，其优点大于缺点，在晶振工作的时候振荡波形控制峰值应该大于70%，不过也可以通过减小或者增加负载电容来弥补峰峰值的偏差，为单片机提供一个稳定的时钟源。（图4.5时钟电路）3.2.2TFTLCD触摸屏部分TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器（如图4.6所示）。其英文全称为：ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。该显示器分辨率为320×240，16位真彩显示，自带触摸功能可以用于控制输入。如图4.7所示，ALIENTEKTFTLCD模块采用16位的并方式与外部连接，之所以不采用8位的方式，是因为彩屏的数据量比较大，尤其在显示图片的时候，如果用8位数据线，就会比16位方式慢一倍以上，我们当然希望速度越快越好，所以我们选择16位的接口。重要的信号端口：CS：TFTLCD片选信号。WR：向TFTLCD写入数据。RD：从TFTLCD读取数据。D[15:0]：16位双向数据线。RST：硬复位TFTLCD。RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。（图4.6TFTLCD显示屏）（图4.7TFTLCD屏内部电路图）3.3温度测量与控制部分本设计为了实现高精度温度控制，选用了精度较高的铂电阻PT100作为温度传感器，在A/D转换芯片方面使用了精度很高的HX711芯片，虽然该芯片是为高精度称重而研发的，但是压敏电阻和热敏电阻在模数转换上是一样的原理，因此也是适合铂电阻的模数转换的，而且有现成的转换模块可供使用，在开发上也大大降低了成本，接下来探讨一下HX711芯片。HX711（如图4.8所示）是一款24位A/D转换器芯片，在与STM32这一类嵌入式芯片的编程和连接上都比较的简单，管脚可以驱动全部的控制信号，其内部不需要对寄存器进行编程。通道A具有128或者64位的可编程增益，与其相对应的的最大和最小值分别是正负40mV和正负20mV，而B通道则是32位的可编程增益，一般使用作为参数检测，在选择A/B通道时可通过编程控制输入选择开关来选择需要用到的通道。在芯片的电源方面（一般为模拟电源），由芯片内部的集成的稳压电路直接输出模拟电源供给转换器等的外部设备，且内部集成了时钟振荡器为芯片提供内部时钟源，在本设计中仅仅使用到通道A，但传感器留出的的信号线只有一根，因此要在电路上做出修改。（图4.8HX711引脚图）（图4.9）如图4.0所示，铂电阻的测温信号进入到HX711芯片的7管脚INNA，这里需要注意数字信号电路要与模拟电路隔离开来，最好的方法就是使用一个或者多个0欧姆的电阻隔离开。温度测量原理上，温度传感器PT100加入全桥电路，有hx711测量出其电阻的变化，转化为压力大小。经过HX711芯片内部（如图4.11所示）运算放大后输出到DOUT，单片机通过控制PD_SCK端口的时钟频率就可以从DOUT中读取到温度转换后的数字信号，再通过软件上的换算就能得到准确的温度值。PT100高精度模数转换器，是一款自带基准恒流源的24位模数转换模块。该模块采用进口基准芯片产生1MA恒定电流激励PT100铂电阻，差分双输入形式抑制共模干扰。软件可编程放大器，后端24位AD模数转换器。（图4.10A/D转换电路图）（图4.11）3.4散热结构3.4.1散热片散热片多数由铜和铝材料制成为一些容易发热的电气或者电子器件提供散热，比如电源器的稳压管、变压器、计算机的CPU、功率放大器等等，在需要散热的器件表面涂一层散热胶有助于热量传递到散热片上，有助于散热片把热量传递到空气或者液体中。本设计中使用的是铝合金材质的散热片（如图4.12所示）与水冷散热片（如图4.14所示），铝合金材质硬度相对于纯铝有了很大的提高，而且其具有价格低廉，重量轻等的优点，但导热性比铜就要差很多，对于电源的散热而言已经足以达到需求，水冷片散热性能可观，通入水就能正常使用，对于一些要求而言散热器的好坏往往由散热片的热传导能力与吸热能力所取决。（图4.12）（图4.14）3.4.2PWM散热风扇传统的温控风扇是利用风扇轴承附近的测温探头实时对进风温度进行测量和反馈从而达到对风扇速度的调控，这一种温度控制方案虽然在一定程度上解决了温度问题，但是其控制精度较为粗糙，达不到高精度的控制效果，并且该方式一般只有高速和低速档位的两级调控，在现在电子科技的发展下是根本满足不了需求的。PWM(PulseWidthModulation)是脉宽调制电路的简称，无论在计算机领域还是工业领域这一项技术都已经被广泛利用与控制方面，例如Intel将其主板的CPU直接与温度监测系统连接，通过PWM控制散热风扇的速度，实现风扇的转速的变化率与温度变化率成正比。PWM风扇（如图4.13所示）可以直接由单片机输出PWM信号进行速度上控制，可以根据单片机检测到的温度变化量通过PID算法得到输出脉宽的数值，通过单片机脉宽输出引脚输出对应的PWM，而PWM风扇在待机状态时可以以一个很慢的速度运行，这样在系统运行的时候就不会有太大的噪音，相比于传统的散热风扇，其具有更大的速度控制范围，更好地解决了噪音和速度的问题。PWM智能温控风扇，简单理解就是在普通的风扇上接入一个PWM控制芯片，根据接收到不同频率的的PWM脉冲信号来控制速度，这一个脉冲信号是一种方波，在一个周期内此方波信号高电平占整个信号幅度的比例也就是我们所说的占空比了。我们也可以把PWM脉冲控制风扇的过程看成是一个MOS管，在G极接收到高电平信号时其余两极就会呈现导通的现象，那么可以把它看成是高电平导通了；如果在G极接收到低电平那么其余两极就不会有高电平默认为低，那么通过此MOS管一个周期内的导通时间长短，我们就可以很容易地对风扇速度进行控制，并且可以实现风扇速度多档位调节甚至是无限档位。（图4.13）4程序的设计4.1本系统程序设计流程图如图5.1所示，STM32F1103芯片通上电后，首先是等待温度传感器传递信号给模数转换模块，此时单片机的DAT输入引脚不断扫描同时SCK的输出引脚不断输出一定频率的时钟信号，最后通过HX711模块把模拟信号转换为数字信号，单片机通过运算得出温度值，先是在TFTLCD上显示传感器的状态，然后显示对应温度传感器的温度，当实际温度超过或者低于设定值时通过PID运算把调节散热装置的PWM信号计算出来，简单描述，就是相应的温度匹配相应的PWM脉冲宽度达到散热结构的同步运行，最后如果需要调节最低和最高温度时，点击触摸屏相应的区域，通过单片机的LCD屏扫描，判断是属于哪一个区块的触摸按压，从而执行相应的设置操作，比如把最高温度降低，最低温度升高等等，实现了人机交互。每完成一次测量比较就会回到程序的检测程序为下一次测量做准备。（图5.1）4.2单片机主控部分4.2.1初始化程序设计本设计中很多的功能都需要定时器来完成的，就如温度的测量、TFTLCD的显示、触摸屏的触摸扫描等，因此在程序初始化阶段需要对TIM1_Int_Init(u16arr,u16psc)函数进行设置其预分频系数和重装载值进行初始化设置，从而对定时器的工作方式进行设定，但是在初始化阶段必须要设置的是系统的时钟设置（Stm32_Clock_Init(9)）也就是对系统时钟进行倍频操作，最大的倍频数为16倍，接着就是对串口进行初始化设定PCLK2时钟频率和波特率，为串口通信工作做准备，再者就是对主控板LED的显示函数进行初始化，其中包括使能和输出模式的设定，LCD定义函数的初始化比LED要复杂很多，除了基本设定外还需要不断地读取屏幕的信号，最后就是温度转换模块的初始化和PWM输出初始化了。（具体程序见附录）4.2.2显示功能程序设计显示屏模块在收到指令后，第一次输出的是dummy数据，也就是无效数据，第二次开始，读取到的才是有效的GRAM数据（从坐标：SC，SP开始），书橱规律为：每一个颜色分量占8个位，一次输出2个颜色分量，比如R1G1：B1R2到G2B2到R3G3到B3R4到G4B4到R5G5以此规律一直延续。（图5.2）首先是设置STM32与TFTLCD模块相连接的IO，将与TFTLCD模块相连的IO口进行初始化，一边驱动LCD屏，然后根据图5.3的初始化序列，硬件的复位与芯片的复位都由复位电路控制。初始化序列，就是向LCD控制器写入一系列的设置值（比如伽马校准），这些初始化序列一般LCD供应商会提供给客户，这样初始化后LCD才可以正常使用，再者通过函数将字符和数字显示在TFTLCD模块上，其一个点的处理步骤：设置坐标-写GRAM指令-写GRAM来实现，通过多次这样的步骤，达到显示字符/数字的坐标。（图5.3）4.2.3PID控制程序设计本设计中温控采用的是PID调控，一般而言PID调控皆为闭环控制，其根据风扇的转速和温度的变化率对PWM的占空比进行自动调节达到闭环控制的效果，在PID算法中当检测的量与实际设计的值存在偏差时，其就会按照一定的标准进行调整，就例如在控制风扇电机的转速时，给定一个风扇的转速标准，检测到转速不在标准范围之内，系统将自动增加或者减小PWM的占空比，这样就组成了反馈系统。提到闭环控制算法，不得不提PID，它是闭环控制算法中最简单的一种。PID是比例，积分,微分英文的缩写，分别代表了三种控制算法。通过这三个算法的组合可有效地纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态。PID是一种线性控制算法，偏差量等于期望值与实际输出相减，比例环节使被控量趋向于减小偏差的趋势，起到信号放大作用，积分环节消除了稳态误差，微分环节使具有超前调节的能力。对于PID控制，在控制偏差输入为阶跃信号时，立即产生比例和微分控制中作用。由于在偏差输入的瞬时，变化率非常大，微分控制作用很强，此后微分控制作用迅速衰减，但积分作用越来越大，直至最终消除静差。PID控制的3种作用，既能加快系统响应速度、减小振荡、克服超调，义能有效消除静差，系统的静态和动态品质得到很大改善，因而PID控制器在工业控制中得到了最为广泛的应用。在工业过程中，连续控制系统的理想PID控制规律为：式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系；Tt——积分时间常数；TD——微分时间常数；u（t）——控制器的输出信号；e（t）——给定值r（t）与测量值之差。参考文献[1]王俊芳王海斌倪晓昌刘朝晖杨斐杨旭.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计与实现[J].智能计算机与应用,2016(6):4-4.[2]刘磊.基于A/D芯片HX711的自制桥式传感器[J].数字技术与应用,2018(4):2-2.[3]王晓.基于ALIENTKEMiniSTM32开发板的触摸屏实验[J].电脑迷：数码生活（上旬刊）,2014(3):3-3.[4]刘磊.基于AD芯片HX711的自制桥式传感器[J].数字技术与应用,2018(04):99-99.[5]张娜.半导体激光器恒温控制理论应用.吉林大学学报(理版).2002,40(3):284-287.[6]彭晓原，李适民. 脉冲CO2激光器谐振开关电源变压器的设计[J]. 电力电子技术，1996，4（11）：17-20.[7]周志敏，周纪海. 开关电源实用技术－设计与应用[M]. 人民邮电出版社,2003.8,(1):70-71.[8]唐文彦,孙晓明,周延周,朱茂华.半导体激光器高精度温度控制系统设计.哈尔滨工业大学学报,1994,26(4):10-12.[9]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M]，第一版.人民邮电出版社，2003.9.谢辞在此，感谢北京理工大学珠海学院的青山绿水，教导过我的老师，你们的人格魅力永记我心间。身边的同学和朋友，有你们，我的大学才算完整。同时，我还要对我的指导老师方宇杰导师表示深深的感激之情。本论文正是在他的指导和帮助下完成的。在论文选题、搜索数据和研究理论方面，方宇杰老师倾注了很多心血。他严谨的治学做份和渊博的学识使我受益匪浅。在近些年时间里，他对我进行了悉心的教导和教育，是我能够不断学习和提高，而且这些课题的研究成果也成为了本论文的主要素材，还要再次感谢方宇杰老师对我的关心和照顾，在此表示最诚挚的谢意。附录（STM32F1最小系统1）（STM32F1最小系统2）（电源电路）（程序烧录电路）（LED电路）（显示屏电路）（A/D转换电路）（PCB正面）（PCB反面）（PCB实物图）（实物连接图1）（实物连接图2）（测试图1）（测试图2）（PCB裸板1）（PCB裸板2）（HX711A/D转换模块）（铂电阻）

HYPERLINK如何选择组装电脑配件

如何选择组装的电脑配件．

第一，选择好CPU平台，就是INTER还是AMD，看你是要配什么样的电脑，高端还是低端的，两个平台都高低的产品。第二，选择主板了，主板的品牌比较多，质量，价格也不一，当你第一步却定了，那么主板也就相应的却定下来了，以INTER为例，只可以选择775接口的主板（早期有478接口的，不推荐），主板的选择主要有两种，一是集成显卡，二是不集成显卡。集成显卡的话，就可以省下显卡的钱，但是对游戏玩家不推荐。那么当然是选择不集成显卡的主板了，而且最好选择一线品牌，如华硕，技嘉等。主板里，还有个蕊片组的选择。关于蕊片组，各个品牌的主板命名有些不一样，主流是INTER965，945，915，VIA的KT890，还有NFORCE4，NFORCE5。等。比较难说清楚。最好是选择INTER的蕊片组，虽然价格会稍高一些。推荐945，技术比较成熟。第三，显卡的选择。显卡主要还是有两类品牌，GEFORCE和ATI，两个品牌有高，中，低的显卡。显卡选择要看你个人喜欢了，预算充足的话，最好是买中，高端的显卡。

第四，就是内存了，内存关系电脑的稳定性。当然是要好一点的。买一线品牌的。现在配电脑，主流是DDR667，DDR800DDR1333第五，显示器的选择，推荐液晶。如何选择硬件组装电脑这是一个老生常谈的问题了，这也是一个让高手们显示自己硬件功底的问题，同时这还是一个让很多新手为之焦头烂额的问题。该怎么配？具体配什么？怎样配才能尽量减小瓶颈？本文就将从内到外，从理论到实践，为朋友们抽丝剥茧一一道来。

一、CPU

作为一台电脑最关键的组成部分，CPU确实起着举足轻重的作用，但体现一台电脑的综合速度，并不是仅仅依靠CPU的，常常看到很多新手们在配电脑的时候，把CPU选的很好，但其他的东西诸如内存、主板、硬盘等都选的不太理想，好像这台电脑速度的快慢就体现在CPU速度的快慢上似的。甚至很多著名的品牌机厂商，都推出过类似“P4+256M内存”的这种跛脚配置。其实对于一般的家用电脑而言，一个真正会配的高手，是不会把大量的钱花在CPU上的。家用电脑，毕竟不是做密集型科学计算用的，它讲求的是多种媒体的配合工作，讲求的是能一边下载文件、一边上网浏览网页、一边听音乐、一边还能打开其他的程序，在这种情况下，提升内存的容量比提升CPU的主频对速度的影响要明显的多。现今的中国家庭用户，很多家长对于电脑一窍不通，他们只听说“奔四”代表着速度快，并不知道整机速度的快慢除了CPU以外，还有很多其他的因素影响着它。但在买电脑的时候，最后做决定并掏钱的人，往往都是这些啥都不懂的家长们，于是就出现了上面的一幕：品牌机厂商为了能有更好的销路、兼容机装机店的销售人员为了能拿到更多的奖金，开始违背良心来配置出这种高主频处理器、低容量内存的跛脚电脑。说严重点，这是属于对消费者的不负责任，是一种商业欺诈行为！同样5000元的配置，高手配出来的赛扬，比新手配出来的P4还要快很多，曾经有一家全球著名的硬件网站在2003年的时候刊登过一篇关于配置家用电脑时各硬件占用总预算百分比的文章，文中很明确的提到了CPU的价钱最好不要超过总预算的10％－15％，我们虽然不能说他肯定完全正确，但至少人家是通过很多调查后得出的结论，有借鉴的理由。反观现在的很多所谓的“低价奔四电脑”、“3999元买P4品牌机”之类的广告，我想说的就是：你花了3999元，只买了一块P4的处理器，其他的什么都没有了！

二、内存

对于配置一台电脑来说，内存是重头戏，容量、速度、类型等等每一项指标都对最终的整机综合速度起着至关重要的影响，尤其是内存的带宽和容量。对于内存带宽而言，很多人都认为400MHz、533MHz前端总线的赛扬四或P4，配单通道的DDR内存就足够了，双通道DDR内存是配合800MHz以上前端总线的P4处理器用的，其实这样就大错特错了，哪怕是最老的赛扬四，都需要双通道的DDR内存才能达到它的带宽！也就是说，你如果选择赛扬四1.8G，必须配合865以上的主板和至少双通道DDR200的内存，才能满足它的带宽要求！稍微计算一下就可以得知：赛扬四1.8G的前端总线是400MHz，它的内存带宽理论值是400MHz×64bit÷8＝3.2G/s，但当它装在845系列的主板上时，由于845主板的限制，即使你插上能符合它带宽要求的DDR400内存，也只能运行在DDR266上，这时的内存所能提供的带宽是266MHz×64bit÷8＝2.1G/s，比3.2G/s要小很多，即使你通过BIOS里的内存调节选项往上调节一档（也只能调节一档而已），让内存运行在DDR333下，所能提供的带宽也仅仅是333MHz×64bit÷8＝2.66G/s，离3.2G/s还是有一定的距离，而内存带宽的降低，能非常明显的降低整机的综合速度，运行任何程序都能明显的感觉出来！所以如果想满足赛扬1.8G处理器的内存带宽要求，你必须要为它配置865以上的主板和双通道的内存才行！P4亦是如此。很多人也许会问：那845系列的主板是配什么处理器的呢？我想回答你的就是：845系列的主板是属于“不能用”的主板，因为处理器永远比主板发展的快，当初Intel造出845系列的芯片组是为了能给当时的赛扬和P4提供一个过渡的平台，不至于让它们成为“没有主板配合”的处理器而已，也是为了能在低端市场分一杯羹，而现今865甚至9xx系列的主板横行的时候，845系列的主板确实是属于“不能用”的主板了，满足不了任何一款处理器的内存带宽，造成性能上的严重低下，试问这种主板你会选择么？即使配台2000多元的超低价电脑，也不要去选择845系列的主板，至少需要865以上的和双通道内存才行，因为内存带宽是一个非常影响系统性能的参数，倘若一味的为了省钱而配置845系列的主板，那就得不偿失了。

内存的容量方面，应每个人对电脑的使用方向不同，容量的要求也是不同的，现在配置的家用电脑，笔者建议：如果不打游戏，或者是打打扫雷、纸牌之类的游戏，平时注重于上网浏览或者是聊天、看电影之类的应用的话，内存容量不应该低于1G；如果是偶尔打打单机游戏或者是网络游戏，内存容量应该选择在2G左右，如果是经常打大型的游戏或是进行HDTV视频编辑等应用，那么4G的内存是必不可少的。

三、主板

一台电脑的稳定性和兼容性，一大部分是看主板的，一款优秀的主板不仅需要拥有上等的用料和优良的做工，还需要拥有合理的走线设计，那些没有技术实力的三、四线主板厂家生产的主板，多数是采用公版走线，而且用料非常差，稳定性不堪一击，这种类型的主板，笔者建议宁愿不买电脑也不要配这种主板，否则以后将会是个淘气的祖宗。对于家庭用户，主板方面一定不能省钱，预算够的话最好能买个一线的主板品牌，如果预算实在不足，二线的主板是底线了，不要再往下选择了，毕竟家用电脑是用来使用的，不是用来整天维修的。再谈到主板的用料，笔者常常看到很多新手在配置主板的时候，貌似老鸟似的说某某品牌的主板好，某某品牌的不好，试问你知道它好在哪里么？不好在哪里么？这个就要看主板的用料了，虽然用料好的主板并不能代表一定是高档主板，但最少能代表它的电气性能出色。举一个很简单的例子吧：有A、B两款主板，A主板的处理器供电滤波电容采用的是日系电容，B主板的处理器供电滤波电容采用的是台系电容，那么基本上可以肯定的是：如果在电源输出电压的波动范围比较大的情况下，A主板就比较能耐得住，而B主板就很容易产生电容鼓包、漏夜等情况。不要小看这小小的电容，笔者从一个开维修店的朋友那里得知，来维修主板的人，有80％的都是这几个小电容损坏，究其原因，就是电源选择的不好，导致了输出电压的不稳定，久而久之最终导致这几个小电容爆浆，并且详细叙述了主板的品牌：“一线厂家的×硕牌主板就很少出现这种情况，但同样为一线厂家的×星牌主板，经常遇到！原因就是前者的大部分主板使用的是日系电容，而后者的大部分主板为了省钱，选用的是台系电容！”厂家的广告不能信，宣传也不能信，看到一个产品的广告之后，你所能相信的唯一一点就是：地球上有这么个产品的存在！然后其他的就统统都不能信了！网上有好多所谓的“评测”文章，都是枪手写的，基本上没有任何参考余地，只能作为一篇小说来读，一款主板的真正性能，只有你自己使用了之后才能知道。厂家为了销量、商家为了利润，他们能把最最垃圾的主板宣传为最顶级的产品，笔者曾经就看到过一款四线品牌的主板厂商，在对其主流主板的广告上说“最优秀的设计、最精湛的工艺、最稳定的性能”……结果一看报价：550元/块……其他的话我也不想多说了，只想问问这家厂商：你这么垃圾的主板都用了三个“最”字，那么华硕的同芯片组主板，售价是你三倍的，应该用什么词语来描述了？？中国有一句古话：一分钱一分货，说的非常正确！不要认为价格高的主板就是暴利产品，从市场经济学上说，暴利产品是不会被市场所接受的，之所以他能存活到今天，而且售价依然是这么高，肯定有他的理由，他在做工用料方面肯定比其他品牌的要好很多，成本高所以售价高，在此，笔者奉劝大家一句：买主板千万不要凭侥幸心理，认为自己能花很少的钱买到很好的东西，只有错买的没有错卖的，商家永远都比你精明！主板上面还是老老实实的多花点钱来买个一线产品吧，否则以后有你吃苦的时候！

四、硬盘

现在的电脑，硬盘的速度当之无愧的成为了“第一大瓶颈”，无论你是再高的高手，配电脑的时候也无法消除这个瓶颈的存在，我们只有尽量的减小…再减小……。对于家用电脑的硬盘来说，容量和速度是两个非常重要的参数，容量上而言，笔者建议：如果你的电脑只是上网浏览浏览、偶尔打打小游戏的，那么160G的硬盘是个不错的选择；如果你常常下载软件或电影，那么250G的硬盘是个不错的选择，如果你是个下载狂人，那么400G的硬盘比较适合你；如果你有DV或者是经常编辑大型的视频文件，那么400G×2比较适合你，如果你是个玩HDTV的人，那么恭喜你，400G×4也许你都不够用。对于硬盘容量上的选择，你不能考虑现在是否够用，你应该考虑未来的1年里是否够用，大概的公式是：现在需要的容量×3。也就是说，如果你现在感觉80G的硬盘差不多够用了，那么你就需要买个250G的硬盘。如果你现在感觉120G的硬盘够用了，那么就去买个400G的硬盘吧。硬盘另外的一个参数就是速度，受到内部传输率等诸多因素的限制，一块硬盘的实际传输速度是不可能达到它的接口速度的，现在的并口硬盘基本上都是ATA133了，串口硬盘也都是150了，但民用级硬盘的实际传输速度最快的也还没突破66M/s，所以跟内存相比，硬盘的速度是电脑中最大的瓶颈，那么怎么来减小这个瓶颈呢？于是人们就发明了RAID，就是磁盘阵列（当然RAID不是仅仅为了这个而发明的），用两块一模一样的硬盘来组成RAID0，速度理论上能提高1倍，虽然实际上是不可能达到1倍的，但至少能非常非常明显的感觉到了硬盘速度的提升，笔者建议：如果你买的主板是带有RAID功能的，并且你需要保存的数据不是很重要的话，那么强烈建议你在预算允许的情况下购买两块硬盘来组建RAID0，这将使你能亲身体会到飞机与火车的速度差别！但最好是串口的，如果是并口的话，因为并口走的是PCI总线，由于PCI总线上的设备比较多，所以速度不可能达到比较高的地步，但如果是串口的话，那么硬盘的速度提升将更加明显！

五、显示器

显示器方面，笔者想澄清一个观念：曾经听过非常多的人说液晶显示器保护眼睛，因为没有辐射和闪烁……包括很多业内人士都这么认为的，其实错了，液晶显示器比普通的CRT还要伤眼睛！因为伤眼睛不仅仅是辐射和闪烁，还有对比度、亮度等参数，虽然液晶显示器的辐射和闪烁比CRT要小的多，但它那要命的对比度、那要命的色泽度、还有那大于每平方米300cd的亮度，这些都会对眼睛造成很大的伤害，并且你即使将液晶显示器的亮度和对比度调节到最低，也还是非常的刺眼。德国的一家权威机构做过一项调查：液晶显示器用久了会使人的眼睛感觉到疲倦，甚至头痛等症状，而使用相同时间的CRT显示器，却基本没有这些情况出现。现在的通过TCO03认证的CRT显示器，其实外露的辐射已经相当小了，基本上对人已经没有多大的伤害了，闪烁感也可以通过调节刷新率来降低，笔者实在是搞不懂为什么很多人非要去选择液晶显示器，还非要说液晶显示器不伤眼睛？？一个最差的17寸液晶显示器的价格，能买一台不错的、通过TCO03标准的19寸CRT了，显示面积也差不多大，而且CRT又比液晶更保护眼睛，液晶显示器唯一的一个优点就是占用空间小而已，其他的统统是缺点，为什么不选择CRT呢？？说到TCO03标准，现在很多的号称是通过TCO03认证的显示器，其实都是贴牌的，都没有真正的通过，关于怎样鉴别一台TCO03的显示器，网上已经有很多文章可以搜索到，笔者在此不想过多叙述，只是提醒大家一点：一台真正的通过TCO03认证的显示器，外表的颜色除了白色以外，是不会有其他颜色的了，因为TCO03认证中有重要的一条就是外壳可回收性，而除了白色以外，其他的任何颜色都加了有机染料在里面，是不能作为回收利用的，这点请大家购买显示器的时候一定要注意了！

六、电源

作为一台电脑的动力之源，电源质量的好坏直接关系到这台电脑的寿命，在这点上笔者先要肯定一下品牌机厂商的做法了，在各大品牌机中，虽然其他配件可以用跛脚来形容，但所配的电源和机箱基本上都是不错的，功率虽然不是很大，但满足它的配置是足够了。而一些新手在配兼容机的时候，很多情况下都忽视了电源这一方面，结果导致的直接后果就是主板电容爆浆、硬盘损坏、显卡电容爆浆等情况。对于电源来说，有很多参数去标准它，但对我们影响最大的两个参数就是它的功率和输出电流稳定度，首先来看看它的功率：很多国内的著名电源制造厂商，例如×河田、×国者等等品牌，都有严重虚标功率的行为，他们所标称的功率，基本上就是这款电源的峰值功率，并不是额定功率，电源的功率一共分三种：额定功率、最大功率和峰值功率，额定功率是指电源能够在此负载下长时间稳定工