趙志強(qiáng)

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

水溫檢測與控制廣泛存在于生活和生產(chǎn)中，例如自動加熱浴缸的水溫控制、鍋爐中的水溫檢測與控制等。傳統(tǒng)的水溫檢測通常以熱電阻熱電偶為檢測元件[1]，PLC 為控制器，系統(tǒng)較冗雜，成本較高。本文采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B210 溫度傳感器作為檢測元件，基于ARM 的STM32 芯片作為控制器，設(shè)計(jì)了一種高效準(zhǔn)確的水溫檢測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)調(diào)試簡單，維護(hù)成本低且功能拓展性高，為溫度檢測與控制提供了參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括以ARM Cortex-M4 為內(nèi)核的STM32F429 控制板、電熱合金絲加熱棒、半導(dǎo)體制冷片、DS18B20 溫度傳感器、語音播報電路、繼電器控制電路。

本系統(tǒng)采用的DS18B20 溫度傳感器具有較好的防水性能[2]，因此可將溫度傳感器置于水箱中，直接采集水溫并將水溫顯示到LED 數(shù)碼管上。STMF429 微處理器將采集到的水溫?cái)?shù)據(jù)與設(shè)定的閾值溫度進(jìn)行比較。若水溫低于閾值溫度，則接通控制加熱棒的繼電器，啟動加熱棒，直到實(shí)際水溫達(dá)到閾值溫度，停止加熱并播報語音提示；若水溫比閾值溫度高，則接通制冷片繼電器，啟動制冷片，待水溫冷卻到閾值溫度時，停止制冷并播報提示語音。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖Fig.1 System control schematic diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括STM32F429 微處理器、水溫檢測模塊、顯示模塊、語音播報模塊、加熱模塊、制冷模塊。

2.1 水溫檢測模塊

DS18B20 溫度傳感器是由DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種“一線總線”接口的溫度傳感器[3]，它具有體積小、適用電壓范圍大、測溫范圍寬、連接簡單等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是一種防水性較強(qiáng)的DS18B20 傳感器，適用于本系統(tǒng)中直接采集水溫。DS18B20 溫度傳感器與STM32F429 芯片的連接如圖2 所示。

圖2 溫度傳感器電路連接圖Fig.2 Temperature sensor circuit connection diagram

2.2 顯示模塊

本系統(tǒng)采用兩片74HC595 緩沖器驅(qū)動四位八段數(shù)碼管顯示，前三位用于顯示溫度的整數(shù)部分，最后一位用于顯示溫度的小數(shù)部分。驅(qū)動緩沖器的電路連接如圖3 所示。

圖3 數(shù)碼管驅(qū)動器連接電路圖Fig.3 Digital tube driver connection circuit diagram

本系統(tǒng)采用四位八段數(shù)碼管，共陽極連接，通過動態(tài)掃描的方式顯示溫度傳感器測得的溫度。連接電路圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)碼管電路連接圖Fig.4 Digital tube circuit connection diagram

2.3 語音播報模塊

語音播報模塊采用WM8978 多媒體數(shù)字信號編譯碼器。WM8978 是歐勝（Wolfson）推出的一款全功能音頻處理器，它帶有一個HI-FI 級數(shù)字信號處理內(nèi)核，支持增強(qiáng)3D 硬件環(huán)繞音效，以及5 頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質(zhì)，并有一個可編程的陷波濾波器，用以去除屏幕開、切換等噪音[5]。WM8978 同樣集成了對麥克風(fēng)的支持，以及用于一個強(qiáng)悍的揚(yáng)聲器功放，可提供高達(dá)900 mW 的高質(zhì)量音響效果揚(yáng)聲器功率。一個數(shù)字回放限制器可防止揚(yáng)聲器聲音過載。WM8978 進(jìn)一步提升耳機(jī)放大器輸出功率，在推動16 Ω 耳機(jī)時，每聲道最大輸出功率高達(dá)40 mV?？梢赃B接市面上絕大多數(shù)適合隨身聽的高端HI-FI耳機(jī)。

WM8988 的主要特性有：I2S 接口，支持最高192 K，24 bit 音頻播放；DAC 信噪比98 dB；ADC 信噪比90 dB；支持無電容耳機(jī)驅(qū)動（提供40 mW@16 Ω 的輸出能力）；支持揚(yáng)聲器輸出（提供0.9 W@8 Ω 的驅(qū)動能力）；支持立體聲差分輸入/麥克風(fēng)輸入；支持左右聲道音量獨(dú)立調(diào)節(jié)；支持3D 效果，支持5 路EQ 調(diào)節(jié)[6]。

WM8978 的控制通過I2S 接口（即數(shù)字音頻接口）同MCU 進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸（支持音頻接收和發(fā)送），通過二線（MODE=0，即IIC 接口）或三線（MODE=1）接口進(jìn)行配置。WM8978 的I2S 接口，由4 個引腳組成：（1）ADCDAT：ADC 數(shù)據(jù)輸出；（2）DACDAT：DAC 數(shù)據(jù)輸入；（3）LRC：數(shù)據(jù)左/右對齊時鐘；（4）BCLK：位時鐘，用于同步本系統(tǒng)應(yīng)用WM8978 的播放音頻功能，并為日后升級系統(tǒng)的語音控制提供可能性。WM8978 的原理圖如圖5 所示，有SPK-和SPK+連接揚(yáng)聲器。

圖5 WM8978 電路原理圖Fig.5 WM8978 circuit schematic

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

系統(tǒng)必須首先執(zhí)行初始化過程，初始化I/O端口，設(shè)置定時器，并確定每個外設(shè)是否成功連接。配置DS18B20 溫度傳感器來收集水溫，將收集的水溫與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較。如果收集的溫度低于設(shè)定溫度，則加熱繼電器開始加熱；如果收集的溫度高于設(shè)定溫度，則冷卻繼電器開始冷卻。直到檢測到的水溫等于設(shè)定的水溫，停止繼電器動作，發(fā)送語音播報命令。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3.2 DS18B20 配置方法

DS18B20 共有6 種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0 和讀1。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號[7]，并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。DS18B20 配置方法如下：

（1）單總線上的所有通信都是以初始化序列開始。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時間至少480 us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，4.7 K 的上拉電阻將單總線拉高，延時15～60 μs，并進(jìn)入接收模式（Rx）。

（2）DS18B20 拉低總線60～240 μs，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖。

（3）寫時序包括寫0 時序和寫1 時序。所有寫時序至少需要60 μs，且在二次獨(dú)立的寫時序之間至少需要1 μs 的恢復(fù)時間，兩種寫時序均起始于主機(jī)拉低總線。寫1 時序：主機(jī)輸出低電平，延時2 μs，然后釋放總線，延時60 μs；寫0 時序：主機(jī)輸出低電平，延時60 μs，然后釋放總線，延時2 μs。

（4）單總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時序時才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要60 μs，且在兩次獨(dú)立的讀時序之間至少需要1 us 的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1 μs。主機(jī)在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的15 μs之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。典型的讀時序過程為：主機(jī)輸出低電平延時2 μs，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時12 μs，然后讀取單總線當(dāng)前的電平，然后延時50 μs[8]。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1.1 溫度測試實(shí)驗(yàn)

通過本系統(tǒng)對一系列標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行多次測量，測試本系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性。針對5 個不同標(biāo)準(zhǔn)溫度，分別采集5 次溫度，并取5 次采集值的平均值，評估系統(tǒng)測溫的準(zhǔn)確性。測溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示（單位℃）。

表1 溫度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of temperature measurement

由表1 可知，不同溫度下的誤差最大為1 ℃。綜合5 次不同溫度下的測量，總體最大誤差為0.34 ℃。

4.1.2 溫度控制實(shí)驗(yàn)

通過本系統(tǒng)，預(yù)設(shè)3 個不同的標(biāo)準(zhǔn)水溫，再通過電子溫度計(jì)測試實(shí)際水溫，測試系統(tǒng)控溫的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示（單位℃）。

表2 溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Temperature control experiment results

由以上數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)本次實(shí)驗(yàn)中的控溫最大誤差1.2 ℃，平均最大誤差為0.9 ℃。

4.2 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，本系統(tǒng)溫度測量基本與實(shí)際溫度相符，能較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，且揚(yáng)聲器可成功聽到溫度語音播報。但溫度測量和溫度控制均有一定誤差。同一標(biāo)準(zhǔn)溫度多次測量時，實(shí)際測量溫度有下降趨勢。此外，由于本系統(tǒng)所使用的的控溫算法較為簡單，因此對控溫誤差也有一定影響。經(jīng)分析得到，由于水溫與室溫有溫差，所以水溫有隨時間改變的趨勢，水溫將逐漸趨于室溫。此外，水中溫度不完全均衡，因此溫度傳感器擺放的位置也會影響溫度測量和溫度控制的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 微處理器的電熱水器控溫系統(tǒng)，采用STM32F429 使得開發(fā)靈活性大，升級空間大；而采用防水性DS18B20溫度傳感器具有很好的防水性，而且所測得的水溫較準(zhǔn)確。軟件上通過比較算法判斷實(shí)際水溫與系統(tǒng)預(yù)設(shè)水溫的差值，從而實(shí)現(xiàn)對加熱或制冷繼電器的控制，最終實(shí)現(xiàn)對水溫的較理想控制。在預(yù)設(shè)好系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)溫度后，可實(shí)現(xiàn)一鍵控溫的效果。本文綜合并有效利用了軟硬件優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一套控制邏輯簡潔直觀、安裝調(diào)試簡單易操作、控溫效果準(zhǔn)確理想的電熱水器水溫控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價值。