盧 偉，占雪梅，李珊珊

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 鄭州450052)

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基于STM32的智能溫控杯控制系統(tǒng)設(shè)計

盧 偉，占雪梅，李珊珊

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 鄭州450052)

設(shè)計以ARM STM32F103作為系統(tǒng)控制核心，使用DS18B20測量溫度，以半導(dǎo)體制冷器件作為降溫設(shè)備，以PTC發(fā)熱片作為升溫設(shè)備，用LCD1602液晶進(jìn)行顯示，實現(xiàn)對杯內(nèi)水溫的有效控制。通過反復(fù)驗證，該溫控系統(tǒng)具有操作簡單、精度較高、工作可靠和性價比高等特點。

溫控；STM32；DS18B20

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，目前人們生活使用的水杯已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代人對于智能化生活的需求。因此，設(shè)計一款新穎、實用、操作簡單的智能溫控水杯很有必要。智能溫控杯可以通過LCD顯示杯內(nèi)的實時水溫，并根據(jù)個人需求有效地調(diào)節(jié)杯內(nèi)水溫，滿足人們的多樣化需求。智能溫控杯的設(shè)計主要分為兩部分，一部分是機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計：確定所需材料、構(gòu)型分布以及合理的執(zhí)行機構(gòu)等，保證智能溫控杯美觀、節(jié)能，并可高效地加熱和制冷；另一部分是控制系統(tǒng)的設(shè)計：實時顯示溫度、人機交互、有效控溫等。本文主要介紹智能溫控杯控制系統(tǒng)的設(shè)計[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)包括STM32F103主控板、DS18B20溫度傳感器、矩陣鍵盤、聲光報警電路、LCD1602液晶顯示屏、驅(qū)動電路、繼電器控制電路、半導(dǎo)體制冷片及PTC加熱片，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用防水型的DS18B20溫度傳感器采集杯內(nèi)水溫信息，并將采集到的水溫信息直接傳送給主控器STM32F103進(jìn)行處理，主控器將采集回來的溫度信息與通過矩陣鍵盤預(yù)設(shè)的溫度信息進(jìn)行對比，如果實際溫度值大于預(yù)設(shè)溫度值，則使用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷降溫，如果實際溫度值小于預(yù)設(shè)溫度值，則使用PTC加熱片進(jìn)行加熱升溫，以達(dá)到有效控溫的目的。同時STM32F103將DS18B20采集回來的溫度信息在LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行溫度變化的實時顯示[2]。

2 硬件系統(tǒng)主要部件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

電源的設(shè)計關(guān)乎到整個系統(tǒng)是否能夠正常運行，一般STM32處理器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.3 V，首先使用LM7805得到5 V電壓，再通過ASM1117電路得到3.3 V電壓。具體電路圖如圖2所示。

5 V電壓使用LM7805模塊實現(xiàn)，圖2中的電容主要功能是濾波。本次設(shè)計用AMS1117的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能提供穩(wěn)定的輸出電壓，在電源設(shè)計中AMS1117的作用是把外接5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的穩(wěn)定輸出電壓，偏差是±6%[3]。

圖2 電源模塊設(shè)計圖

2.2 測溫電路設(shè)計

圖3 DS18B20與STM32的連接電路圖

本系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度計DS18B20進(jìn)行溫度的測量，DS18B20相比于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件，具有體積小、易處理等特點，只需要進(jìn)行簡單的配置就可以實現(xiàn)實時溫度采集。同時本次采用防水型的DS18B20，可以很好地進(jìn)行水溫的測試，實現(xiàn)水溫的實時采集。DS18B20與STM32微處理器的連接方式非常簡單，具體電路圖如圖3所示。

2.3 繼電器控制模塊

圖5 智能溫控杯主程序流程圖

控制系統(tǒng)對水杯進(jìn)行升溫和降溫是通過控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)的，當(dāng)實際溫度大于預(yù)設(shè)溫度值時，通過控制繼電器操作半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷降溫；當(dāng)實際溫度小于預(yù)設(shè)溫度值時，通過控制繼電器操作PTC加熱片進(jìn)行加熱升溫。繼電器電路原理圖如圖4所示，繼電器的通斷由ARM STM32F103的GPIO口通過R1電阻與S8550三極管基極相連進(jìn)行控制[4]。

圖4 繼電器模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 增量式PID算法

系統(tǒng)采用PID算法控制單片機輸出PWM的占空比從而控制半導(dǎo)體制冷片的功率，PID是比例控制(P)、積分控制(I)和微分控制(D)的簡稱。在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種自動控制器。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡單，結(jié)構(gòu)形式靈活?？刂泣c包含兩種PID控制算法，分別是增量式算法和位置式算法[5-6]。

智能溫控杯控制系統(tǒng)采用增量式PID算法進(jìn)行恒溫控制，通過多次實驗，得到控制對象的一組控制系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)每隔一個采樣周期時間T，就將杯內(nèi)水溫與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，從而得出偏差e(k)，然后將所得到的偏差值代入增量式PID公式進(jìn)行PID運算。增量式PID計算公式：

u(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

此公式?jīng)Q定PWM方波的占空比，可得到相應(yīng)的高電平持續(xù)時間，當(dāng)杯內(nèi)水溫與設(shè)定值差距較大時，加熱/制冷電路電流大，結(jié)果是使得杯內(nèi)水溫與設(shè)定值偏差越來越小，最終達(dá)到自動控制的目的。同時，本文采用分段式控溫的思想，當(dāng)溫度偏差值大于10℃時，進(jìn)行全速加熱或者降溫，當(dāng)偏差值小于10℃時，再啟動PID進(jìn)行控溫，這樣既保證了加熱/制冷效率，還節(jié)約了系統(tǒng)的功耗[1-6]。

3.2 軟件設(shè)計主流程

系統(tǒng)在初始化階段設(shè)置期望溫度，初始化完畢后通過DS18B20溫度傳感器對杯內(nèi)水溫進(jìn)行實時溫度采集，判斷采集到的溫度值與預(yù)設(shè)溫度之間的差值，利用增量式PID算法進(jìn)行處理，控制繼電器加熱/制冷，同時在LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行溫度的實時顯示[7]。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試及分析

測試時實驗室溫度為25℃。將智能溫控杯組裝完畢后，將杯中置滿水，初始測得水溫為20.1℃。選定從60℃～-5℃之間的數(shù)值進(jìn)行測試。實驗過程中，鍵入指定數(shù)值進(jìn)行測試，待LCD顯示數(shù)值穩(wěn)定，不再有較大波動時，記錄下LCD顯示溫度。記錄表格如表1所示[8]。

表1 智能溫控杯測試結(jié)果

在測試溫控精度的同時，也對制冷/制熱效率進(jìn)行了測試，杯內(nèi)水溫從20℃升溫至60℃只需要10 min，升溫速度比較快，升溫效率較高。將杯內(nèi)水溫從20℃降至5℃需要40 min，在降溫初期降溫速度比較慢，等溫度降低至一定程度后，降溫速度開始加快，降溫效率較低。通過改進(jìn)智能溫控杯機械結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步改善降溫效率[9-11]。

可以看出本系統(tǒng)能夠較精確地控制溫度，動態(tài)響應(yīng)好，超調(diào)量小。本系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，具有一定的實際應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本文主要基于STM32設(shè)計了一款可對杯內(nèi)水溫進(jìn)行實時快速有效控制的智能溫控系統(tǒng)。硬件上采用ARM STM32F103作為主控芯片，使電路結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)方便靈活，使用DS18B20溫度傳感器測試溫度，提高測量的精確度以及效率。采用PTC和半導(dǎo)體制冷片作為升溫和降溫設(shè)備，使溫度的穩(wěn)定性較高。軟件上采用增量式PID算法，并結(jié)合分段控溫思想，在節(jié)約系統(tǒng)功耗的同時，達(dá)到精確控溫的目的。最后對整個智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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The design of control system for intelligent temperature control cup based on STM32

Lu Wei,Zhan Xuemei,Li Shanshan

(Electrical Engineering Department,Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou 450052,China)

The main content of the paper is about the design of control system for intelligent temperature control cup based on STM32F103 ARM.To achieve intelligent temperature control of the cup,some devices are equipped.DS18B20 is used to measure the temperature and LCD1602 display is for data display.Semiconductor cooler and PTC heating element are respectively used as the cooling equipment and temperature rise equipment.Through repeated verification,it proves that this control system has the characteristics of easy operation,high accuracy,reliability and high cost effectiveness.

temperature control; STM32; DS18B20

TP273

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.027

盧偉，占雪梅，李珊珊.基于STM32的智能溫控杯控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(19)：92-94.

2016-06-06)

盧偉(1989-)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：軌道交通信號及控制、嵌入式系統(tǒng) 。