基于STM32F103C6T6和光耦可控硅的可控温加热台

基于STM32F103C6T6和光耦可控硅的可控温加热台

 

【安全警示】本项目包含高压电单元，存在触电、烫伤、起火等安全风险。如有实际使用需求，建议您选用具有品质保障的商用加热台。

【免责声明】本项目仅供理论学习交流，设计资料按“现状”提供，不保证无缺陷或故障。您应自行评估项目的适用性，对复刻行为的风险和产生的后果负责。作者不对您复刻项目导致的直接、间接损害承担责任。

 

目录：1.简介→2.功能描述→3.电路原理(光耦电路计算)→4.代码说明→5.烧录与组装→6.附件

1. 简介

这是一个室温~270℃的可控温加热台。单环PID控温，恒温状态下温度波动±5℃。220V供电，最大功率300W，可设置最大加热功率避免跳闸。可满足作者日常低频率折腾电路板的需求。

特色：

玲珑小巧。长宽高10 * 7.3 * 7 cm，外壳由防水盒与六角螺柱组装；

操作简单。LCD屏幕显示当前温度，四个按键的交互逻辑与常用加热设备相似；

成本压制。电路元件、外壳和电源线，共约70元（不含工具与人工成本）；

适度创新。相比同类设计，本项目无晶振和复位按钮，使用STM32内部Flash保存设置。

原理：用光耦和可控硅控制电源的通断，调节PTC加热板的加热功率以保持特定温度。温度由热电偶采集。

兼容提示：组装过程具有一定复杂度，需要在防水盒上挖槽和钻孔，以及焊接连接显示面板的10根飞线！工程代码在IAR (v9.30)上开发，Keil用户需自行移植。

2. 功能与按键

有限制加热台的最大加热功率的功能，可应对工位限电的情况。

 

3. 电路原理分析

3.1. 原理图

请见附件。

3.2. 光耦可控硅电路设计

▶ 光耦与继电器的比较

继电器和光耦都能做到强电弱电隔离、以小电流控制大电流，那为什么要用光耦可控硅呢？如果只是控制开和关，完全可以使用继电器。比如拆解家里的小熊牌电炖盅，里面用的是Ronway继电器。我认为用继电器也完全没问题，成本也更低，但是存在以下问题①继电器约具有十万次开关寿命；②继电器弹簧片的释放和吸合具有10 ms的延时，所以调控功率的PWM信号频率不能过高；③如果在交流峰值处闭环或断开，容易产生电火花，电路噪音更大。所以从使用寿命、控制精度等角度考虑，使用光耦可控硅方案。

▶ 过零光耦+双向可控硅工作原理

电路中，光耦负责强弱电电气隔离，双向可控硅负责大功率负载通断。

控制加热开启的过程可分为3个步骤。初始状态下，PWM为低电平，后级电路都为关断状态。①PWM转为高电平，三极管S8050导通，使光耦导通。相比于普通光耦，过零光耦CT3063的导通或截止状态只会在交流电电压过零点时改变，避免了产生电火花。②交流电在过零导通后，电压从0V逐渐上升，此时可控硅BT138并未导通，导电路径为图中黄色箭头曲线：从火线出发、R3、可控硅Q1的G脚流向T1脚，经过加热片从PTC_L到PTC_N，流入零线。③当R7上的电压超过可控硅的门极触发电压（V_GT>0.8 V，或触发电流I_GT>10 mA）后，可控硅BT138导通（相当于T1和T2短路，导电路径变为图中蓝色的箭头），交流电就主要从晶闸管上流向加热片了，R3和R7上的电压降为0。

PWM低电平时，光耦在下一次过零时断开断开，导通的可控硅也随之断开，流向加热片的电流中断。

光耦选型，需要考虑峰值击穿电压（Peak Breakdown Voltage），也称为断态输出端电压V_DRM（Off-State Output Terminal Voltage），CT3063击穿电压为600V，大于市电波幅1.414*220V=310V，符合要求。

双向可控硅选型，也需要考虑重复峰值阻断电压V_DRM，和最大通态电流I_T(RMS)。BT138-800E的阻断电压800V，最大电流12A，满足加热台功率要求。

▶ R5计算

R5为光耦LED限流电阻，其取值范围详见原理图中的标注。假如忽略三极管S8050的压降V_CE，则R5=(VCC -V_F)/I_FT，式中包含如下重要参数：

输入触发电流I_FT（Input Trigger Current）：只有电流大于该值，光耦才能稳定的触发。虽然STM32的引脚能够承受直接输出5mA的电流，但还是建议通过一颗三极管转接一下，以减小主控芯片的发热。

最大输入电流I_F：在Absolute Maximum Rating中可以找到该参数。输入电流也不得大于该值。

正向压降V_F：在光耦内LED上会有一定的压降

根据以上值，可以计算出限流电阻R5的取值范围。

▶ R3计算

R3的作用也是限流电阻，其取值由 峰值重复浪涌电流I_TSM（Peak Repetitive Surge Current） 决定。R3=交流电网电压峰值/I_TSM = 310V/1A = 310Ω，但由于买的电阻包中通常不包含该阻值，所以选取最近的300Ω或360Ω。

▶ R7的取值

R7是防止可控硅误触发的电阻，可断开不接。如果断开R7，当可控硅关断时，因负载电流滞后电压，可能传递一个小阶跃电压到G脚上，使可控硅误触发，结果是可控硅后的负载一直工作、无法停下。添加了R7后，相当于把G脚下拉到T1脚上了，可控硅就不那么敏感了。R7的取值比较灵活，网上方案中大到1kΩ的都有。为了少买物料，可以用和R3相同的阻值。

R3和R7电阻阻值会影响系统的电磁干扰（EMI），当R3电阻分压较大时，可控硅导通前需要T1和T2两脚之间的电压更大，电路噪声更大。

在正常工作时，R3和R7上经过的平均功率较小，但电阻需要能承受高压。所以建议选择插件电阻，或把多个贴片电阻串联。我实际测试中使用的2512封装，长时间工作后R3会有较明显的发热，R7和可控硅没有明显发热。

（以上R3、R7等计算我也不是很清楚，最好还是有机会了测一下可控硅后的信号看看取值的影响。）

▶ RC电路

若被控制的电压变化dV/dt过快，超过了可控硅的断态电压临界上升率（Critical rate of rise of off-state voltage），也会使可控硅误触发。并联的RC支路可以起到缓冲的作用。由于PTC加热板几乎是阻性负载，所以也可以不添RC吸收回路。RC串联的复阻抗Z = R-j*[1/(2πfC)]，由于电容值非常小，故交流电不会通过电容短路。

▶ 参考文献：

[1] 曹晓伟. MOC3061系列光电双向可控硅驱动器[J].国外电子元器件,1996,(12):2-4.

[2] Parameter list for SCRs, Triacs, AC Switches, and Diacs 

 

3.3. 控温设计

▶ K型热电偶特性与温度采集

K型热电偶中，正极通常为镍铬合金，负极通常为镍硅合金，在两种金属连接点处存在温度差时，会产生热电势。由于该电势值非常小，选用专用芯片MAX6675减少麻烦，直接读12位数字量，精度为0.25℃。

MAX6675内部自带冷端补偿，焊接时不要让芯片烫太久。我刚焊上去后几天试着测室温竟是40℃，过了半个月后测温度又正常了，非常神奇。由于没有温度计进行测量和校准，先暂且相信MAX6675的读出结果。

▶ PID控温调参建议

由于从加热到热量传递到加热片表面具有5s左右的延迟，属于高延迟系统。因此，初始的p,i,d都设为0，先调节p至能较快速达到目标温度而不强烈震荡，然后调大d值减小震荡。i值可以不用调，i过大会加剧温度的波动。

▶ 加热模型与改进方向

本项目目前使用的是经典的PID算法，恒温工作时，温度波动在±5℃，首次升温会有10℃的过冲。为了提高控温精度，后期打算进一步改进（咕咕咕），使用从模糊PID控制算法。

本加热台的物理模型基本符合带纯延迟的一阶惯性对象，温度G关于时间s的函数满足公式：

式中，K为系统增益、T为惯性时间常数、τ为纯滞后时间常数。通过测量加热台的温度随时间变化的曲线，可以确定这三个参数，打算参考相关文献使用模糊PID控制算法，对温度进行分段控制。

 

3.4. 电源

使用HLK-PM03模块，将220V转为3.3V给单片机供电。注意加装保险丝，R1为压敏电阻，防雷击。R2防输出端短路。由于对电压稳定性没有太高要求，所以未加上安规电容和共模电感。

 

4. 代码架构与问题记录

4.1. 代码整体思路

由于加热台的功能过于简单，直接裸机编程，中断逻辑设计如图。让定时器TIM1每隔1s产生一个中断，测量一次温度。温度测完后，将新的温度值在液晶屏上显示出来，并计算一次PID控温，然后修改定时器TIM2输出PWM的占空比。最后MCU回到低功耗。当按钮按下后，也产生中断使MCU进行液晶屏界面更新。

PWM设置的频率与中断频率相同，为1 Hz，占空比在在0%~100%之间调节。

为保证温度测量准确，定时测温的中断拥有最高优先级，与MAX6675通信过程在中断函数中完成。而屏幕更新所需的时间较长，故在中断函数中只标记“需要更新液晶显示”这个中断标志位，屏幕具体切换到那个页面放在中断函数外执行，这样也避免了屏幕在页面更新时又进行另一个页面更新，而使屏幕卡住。

按键并联了电容进行消抖，同时软件上也用中断实现了一个非阻塞性的冷却时长，避免灵敏的“温度+/-”按键与使用者的内心预期产生较大差距。

4.2. 工程文件说明

这是工程文件夹，真正需要用到的只有下图方框中四个文件夹内的代码，其它的是IAR和VSCode生成的文件。如果用IAR可以直接打开工程；如要移植到Keil，需要将四个文件夹中的代码创建一个工程，并将core_cm3.c和.h文件为替换Keil环境支持的。

4.3. 使用STM32的内部时钟

由于未连接晶振，故STM32自动使用内部高速时钟HSI，频率8MHz。项目代码中将HSI通过PLL倍频为64MHz，作为系统的时钟源。

4.4. 使用内置Flash保持设置

项目代码中将设置的数据，循环写入在STM32C6T6内置flash的第30扇区（倒数第2个扇区）中了，可以下电后内容不丢失。循环写入能减少擦除次数，延长Flash的寿命。如果修改本项目的代码请留意不要在该扇区储存程序。

5. 烧录与组装

5.1. 烧录

IAR编译好的固件“HeaterC6T6.hex”在“./Debug/Exe/”路径下。

断开220V市电，连接好ST-Link的3V3、GND、SWCLK、SWDIO四根线，插到电脑上。可能是由于代码中开启了中断服务函数，所以烧录一次后，第二次就烧不进去了。本加热台为节省物料，电路中没有给stm32留复位按钮，所以网上的“点击烧录后短按一下复位按钮”的方法就用不了了。找到的解决方法是：在ST-Link插上电脑后，赶在程序进入中断前（main中第一句delay()给大家留了充分的时间），把程序给烧进去或把flash给擦了。

若在IAR上烧录，发现工程的Reset方法得设置为Core（默认为system(default)）。不然会报错“fatal error: initial reset failed, please check project settings”。

若使用“STM32 ST-LINK Utility”软件进行烧录：ST-LINK插上电脑后赶紧点击“Target - Erase Sectors...”把程序擦除了。如果擦除不了就点“Target - Option Bytes...”，先把flash的readOnly解锁，如果一次解锁不了就再解锁一遍，然后再擦。之后烧录就不会报错了。

5.2. 零件成本

物料成本约70元，并且还会多出很多料。电烙铁、电钻、锉刀、剪钳等加工工具约需100元。

PTC发热片、螺柱螺母、电源线、220V转3V3模块等占据了加热台的主要成本，这些可在tb买。阻容等在立创商城买更合算。

 

5.3. 组装中遇到的问题记录

• 热电偶固定：我选择将裸露的热带偶金属丝用高温胶带直接粘到加热台反面，所以测得的是下表面的温度。热电偶多出来的线被卷起来塞在第一层盖板上的空间。热电偶也会将很多热量传递到下面。
• 焊盘调整：接加热台和电源线的焊盘的孔要调大一点！
• 防水盒挖槽孔：使用了60W冲击钻3~5mm的钻头钻孔，先钻出一个大致的形状，再用电子剪钳剪断，用锉刀把槽孔搓光滑。
• 翘板开关：防水盒3mm太厚了点，翘板开关后的夹片得稍微剪短一点。有的翘板开关是带灯的，需要将零线连接到开关的第三个脚上才能亮，本设计中的开关只用了两个引脚，故开关上的灯不亮。
• 液晶屏：淘宝上有的屏幕是BGR的，代码中得反着设置成BGR才会显示成RGB。
• 显示面板的飞线：焊接要耐心一点，铜线上好锡后再去焊到焊盘上。任意一根线没焊牢，最终都会出问题。
• 按键按着后陷入外壳内：在面板后垫一个纸方块，防止面板变形位移。
• 紧固件：可用铁制的六角螺柱，比铜传热性差一些。螺柱、螺钉、螺母都是M3的。
• 绝缘：给加热板的电源线套一层热缩管，加热台面可以再贴一层耐高温胶带

 

从工作量上来看：不如淘宝上直接买一个80元的加热台。

如果加热20min，短期内下层盖板的温度几乎不变。若连续加热3h，下层盖板中心的温度上约能升到60℃，摸上去有点小烫，上层盖板温度更高。目前加热台能够在高温长期工作，但散热还需改善。

6. 致谢

感谢嘉立创2024年星火计划提供了80元的元器件支持！让我第一次尝试打造了一个完整的作品。项目中存在许多错误和不规范的地方，还请大家指正。

[易于收纳和打包带走]