T12焊台控制器制作教程 | T12烙铁 | PID增量式算法恒温控制 | 运算放大器-热电偶电压采集 | OLED屏幕显示-SPI通信

前言

购买T12烙铁的相关配件已经1年多了，期间也尝试了一些开源的T12控制器，但都没有成功，要么是配套资料少，要么是英文的，其中51和arduino的居多，STM32的较少。求人不如求己，索性自己开发一个吧！现把制作过程和工作原理记录一下。

项目开源地址：https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller

Gitee：https://gitee.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller

PCB：https://oshwhub.com/caisheng/T12han-tai-kong-zhi-qi

QQ群：1091996634，密码：J20

Bibilibi：蔡子CaiZi

1. 元件清单

（1）T12烙铁头（焊贴片用刀头，焊插件用尖头）

（2）烙铁手柄（笔者买的907手柄）、硅胶线（5线）、烙铁支架（带NTC电阻10k、震动开关）、航插（5线）

（3）24V4A开关电源，给烙铁供电

https://item.taobao.com/item.htm?id=560319416660

（4）DC-DC降压模块，24V转5V，给控制板供电

https://item.taobao.com/item.htm?id=536347025767

（5）旋转编码器

https://item.taobao.com/item.htm?id=532637569029

（6）OLED显示屏（7脚SPI）

https://item.taobao.com/item.htm?id=562145367495

（7）STM32F103C8T6最小系统板

（8）IRF9540 MOS管P沟道，驱动电烙铁的

https://item.taobao.com/item.htm?id=522575402372

（9）SS8050三极管

（10）肖特基二极管（用来续流）

（11）运算放大器AD823

（12）3.3v稳压管

https://item.taobao.com/item.htm?id=580234927158

（13）18v稳压管

https://item.taobao.com/item.htm?id=580243199645

（14）电解电容100uF（用来稳压）

（15）独石电容0.1uF（用来滤波），又称104电容

（16）有源蜂鸣器5V的（接电即响）

（17）470Ω、1k、51k、10k、100k电阻若干

（18）500k可调电阻

https://item.taobao.com/item.htm?id=522572774132

（19）ST-LINK V2下载器

调试STM32性价比极高，可烧写程序，可断点调试

现在你的购物车已经满了，清空叭，等待元件的期间可以看看原理图，练习一下焊接技巧。

2. 焊接及原理图

滑动变阻器RP2和R34的电阻和调整至400KΩ即可。

AD823也可以用这些来代替：LM6118, LM6218, LT1122, LT1201, LT1213, LT1215, OPA2132, OPA2134, OPA2227, OPA2604, TLE2072, TLE2142, TLE2227, MCP602

稳压二极管和肖特基二极管的封装如下，有黑线的那一侧和示意图的竖线对应。

ss8050的引脚对应关系如下，原理图中标注了bce

IRF9540N的引脚对应关系关系如下，原理图中标注了GDS。

AMS1117-3.3降压芯片的封装

开关电源和烙铁外壳一定要接地！！！注意用电安全！！！

温馨提醒：第一次通电可能不成功，时刻准备断电！！！

发现烙铁有烧红的趋势，就把220V电断开，这说明MOS管一直是导通的，仔细检查MOS管电路部分。

PCB V1.1

PCB V1.2

3. 烧写固件

固件下载地址：https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller/releases/tag/v1.2

如果你的电脑安装了keil软件，那么编译工程再进行烧录即可，这里不再赘述，可参考笔者的这篇博客：

https://blog.csdn.net/weixin_42268054/article/details/106878860

如果你的电脑没有keil软件，又不打算开发调试源代码，那么这里推荐使用STM32 ST-LINK Utility软件。软件介绍、下载、安装、使用请参考strongerHuang的这篇博客：

https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/52597133

先将ST-LINK下载器连接STM32开发板，接线如下：
               GND 电源地
               3V3 接3.3v
               SWCLK 接DCLK
               SWDIO 接DIO

打开软件，点击该按钮进行连接；

点击Target》Program...；

点击Browse，打开焊台的hex文件，点击Start进行烧写；

看到提示信息即说明烧写完成。

4. 使用说明

已完成的功能包含设置温度、自动休眠、自动关机、蜂鸣器开关、恢复默认设置；

在home页面时，短按旋转编码器设置加热开关，长按进入菜单，旋转设置加热温度；

在菜单页面时，短按进入选择，再短按退出，旋转设置参数，长按退出菜单。

睡眠温度为100℃，最小设置温度为150℃，最大设置温度为400℃，建议焊接温度：300-380°C；

标准模式下，烙铁控制的温度为显示的温度；强力模式下，烙铁控制的温度比显示的温度高50℃；

PWM更新频率为390Hz，细分数为255；

使用分段式PID：温差>100℃时，全速加热；温差30~100℃时，激进的PID；温差<30℃时，保守的PID；

读者可自行使用万用表的温度计校准分度表：使用USB-TTL串口下载器和串口调试助手(115200bps)读取100℃、200℃、300℃、420℃时的ADC值；

串口下载器和蓝色板之间的连接：

GND 电源地
               3V3 接3.3v
               RXD 接PA9
               TXD 接PA10

然后更改main.h文件中的TEMP100、TEMP200、TEMP300、TEMP420即可。

5. 工作原理

这一部分是为了让读者能够理解控制原理，不想深究的话可以忽略哈~

5.1 T12烙铁头

T12官方原理图，其发热丝是一种材料，中间导线又是另外一种导线。结合点就是热电偶，也就是测温点。

下面大概说明下热电偶，说说这个烙铁头是怎么测温的。
热电偶是一种感温元件。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端。
通过分析就可以知道，发热丝本身即是发热体，也是热偶的工作端。

参考：https://www.geek-workshop.com/forum.php?mod=viewthread&tid=72

5.2 热电偶与热电势的计算

鲁迅说过：欲控之，必测之。（鲁迅：我没说过这话，不过听着在理！）

我们先来测量烙铁的温度，再用PID进行闭环控制它的温度，实现恒温。

六种热电偶分度表：S型/K型/B型/E型/J型/T型

https://www.doc88.com/p-276403097011.html

实验得到20℃时的热电势约为0.11mV，80℃时的热电势约为0.60mV，根据各个类型的分度表，可以确定烙铁头的热电偶似乎属于S型。

https://tech.hqew.com/fangan_1628934

常用热电偶的拟合多项式系数，对应温度计算公式为：T=A0*U^0+A1*U^1+...+Ai*U^i；其中U为测得的电动势（V），T为热电偶两端的温度（℃）。

但是经过自己使用万用表的温度计测得热电压，得到温度-电压的关系如下图，发现烙铁的热电偶和S型不符！还好两者在小区间内基本是线性关系，那就只能使用自己测量的电压值了。

 1 from pylab import *

 2 x=[10*i for i in range(0,38)]

 3 y=[0,55,113,150,189,384,576,731,908,1102,

 4 1239,1482,1668,1863,2100,2206,2508,2731,3046,3163,

 5 3408,3658,3954,4146,4389,4688,4937,5213,5495,5653,

 6 5714,5913,6009,6180,6690,6956,7325,7565]

 7 mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 添加这条可以让图形显示中文

 8 plt.plot(x, y, 'r-', color='#4169E1', alpha=0.8, linewidth=1)

 9 plt.xlabel('温度[℃]')

10 plt.ylabel('电压[uV]')

11 plt.title('温度-电压曲线')

12 plt.show()

5.3 运算放大器电路

由于热电偶的热电压只有几mV，无法直接使用单片机的ADC采样，需要放大其电压值，所以使用运算放大器。

非反相闭环放大器如下图（我们用的就是这样的连接）。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

参考：http://www.elecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/20100309184249.html

5.4 增量式PID算法

PID的定义：

P：Proportion（比例），就是输入偏差乘以一个常数。

I：Integral（积分），就是对输入偏差进行积分运算。

D：Derivative（微分），对输入偏差进行微分运算。

其中，输入偏差=读出的被控制对象的值-设定值。

P用于控制调节力度，P越大，调节作用越激进，P调小会让调节作用更保守；

D的作用就是让物理量的速度趋于0，只要这个量具有了速度，D就向相反的方向用力，尽力刹住这个变化。D参数越大，向速度相反方向刹车的力道就越强。

I 的作用就是，减小静态情况下的误差，让受控物理量尽可能接近目标值。I 在使用时还有个问题：需要设定积分限制。防止在刚开始加热时，就把积分量设得太大，难以控制。

5.4.1 常用的PID模型

PID控制并不一定要三者都出现，也可以只是PI、PD控制，关键决定于控制的对象。比如我们要控制一个人，让他以PID的控制方式来行走110步后停下来。

（1）P控制

比例控制就是让他按照一定的比例走，然后停下。比如比例系数为108，则走一次就走了108步，然后就不走了。P比例控制是一种最简单的控制方式，控制器的输出与输入误差信号成比例关系。但是仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比如上面的只能走到108，无论怎样都走不到110。

（2）PI控制

比例-积分控制就是按照一定的步伐走到112步然后回头接着走，走到108步位置时，然后又回头向110步位置走。在110位置处来回晃荡几次，最后停在110步的位置。说明：在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统来说，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的影响取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，从而使稳态误差进一步减小，直到等于0。因此，比例+积分（PI）控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

（3）PD控制

比例-微分控制就是按照一定的步伐走到一百零几步后，再慢慢地走向110步的位置靠近，如果最后能精确停在110步的位置，就是无静差控制；如果停在110步附近（如109步或111步位置），就是有静差控制。在微分控制D中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，原因是存在较大惯性组件（环节）或滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例P+微分D（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5.4.2 PID算法结构

来点公式吧~

PID算法的数学模型为：

其中，Kp为比例参数，Ek为本次的偏差值，Sk为积分成分，Dk为微分成分。

积分成分

其中T为采样周期（s）， Ti为积分时间（s）。

微分成分

其中Td为微分时间（s）。

在实际应用中，PID算法具体分两种：一种是位置式PID算法，一种是增量式PID算法。

a）位置式PID算法表达式：

Out即为本次运算的结果，利用Out可以去驱动执行机构输出对应的控制信号，例如温度控制就可以控制PWM的宽度，电磁阀就可以改变电磁线圈电流以改变阀门开度，或者是可控硅的导通角度等；这种PID算法计算出的结果（Out值）表示当前控制器应该输出的控制量，所以称为位置式（直接输出了执行机构应该达到的状态值）。

b）增量式PID算法表达式：

式中， E(k)为本次偏差值，E(k-1)为上次偏差值，E(k-2)为上上次偏差值。增量式PID的计算只需要最近3次的偏差（本次偏差，上次偏差，上上次偏差），不需要处理器存储大量的历史偏差值，计算量也相对较少，容易实现。

根据本系统控制对象为加热电阻两端电压，以及增量型较位置型算法有累加误差小、误动作影响小、计算量小和编程方便的特点，本系统选用PID增量型控制算法。

参考链接

https://blog.csdn.net/weixin_42068537/article/details/83684234

https://blog.csdn.net/weixin_44690490/article/details/113087363

5.4.3 PID参数的整定

参考链接

https://blog.csdn.net/weixin_42068537/article/details/83684234

https://blog.csdn.net/cp32212116/article/details/42033131

《PID整定理论与实践--冯少辉》

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

根据经验，闭环响应曲线不平滑绝大部分都是微分时间太大导致的。因此推荐：Td<=Ti/4

为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数Kp不要太大，积分时间Ti不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。

如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间；如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。

如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。

反复调节比例系数Kp和积分时间Ti，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

在PID公式中，常数系数Kp，Ti，Td等须不断调节，找到适合自己的控制对象的参数。这里有一个经典的经验试凑口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查。

先是比例后积分，最后再把微分加。

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。

曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。

曲线偏离回复慢，积分时间往下降。

曲线波动周期长，积分时间再加长。

曲线振荡频率快，先把微分降下来。

动差大来波动慢，微分时间应加长。

理想曲线两个波，前高后低四比一。

一看二调多分析，调节质量不会低。

结束语

DIY有风险，操作需谨慎！安全第一，涉及到220V电压，一定要接地！！！