李 康，周 薇，王想實(shí)

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121）

0 引 言

日常生活中，對(duì)于恒溫水的需求必不可少，但大多傳統(tǒng)產(chǎn)品僅為簡(jiǎn)易的加熱與保溫裝置，在需要使用的時(shí)候由人工開(kāi)啟加熱，加熱完成后產(chǎn)品自動(dòng)結(jié)束加熱操作，水溫也會(huì)在隨后開(kāi)始下降到室溫。隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)控制水溫恒定產(chǎn)品的需求逐漸增加。為了使控制水溫恒定產(chǎn)品的功能更加完善，考慮如何高精度地將水溫控制在恒定范圍內(nèi)具有重要意義。由此可以在提高生活質(zhì)量和舒適度的同時(shí)，節(jié)約水資源與電能、燃?xì)獾荣Y源。國(guó)內(nèi)外對(duì)于水恒溫控制積聚了較多的解決方案，但都存在控制精度不足的問(wèn)題。這樣的情況下使得用戶使用起來(lái)總是需要反復(fù)加熱，會(huì)導(dǎo)致裝置的溫控不精確，反復(fù)大功率地加熱還會(huì)造成能量浪費(fèi)與元器件壽命損害等。為實(shí)現(xiàn)水溫的快速、準(zhǔn)確、恒定控制，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能恒溫監(jiān)測(cè)控制裝置。

1 智能水恒溫控制監(jiān)測(cè)裝置的整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32的水恒溫智能監(jiān)測(cè)控制裝置，實(shí)現(xiàn)裝置開(kāi)啟狀態(tài)下的恒溫出水與內(nèi)部恒溫協(xié)調(diào)控制功能。硬件利用STM32F103系列的MCU作為系統(tǒng)上位機(jī)主控模塊的核心，溫度提示采用按鍵、蜂鳴器、OLED顯示模塊實(shí)現(xiàn)；下位機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)控制采用溫度、繼電器、加熱、降溫、供水等模塊實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)是在Keil5中利用C/C++編寫(xiě)各模塊核心控制程序，引入PID算法，配合PWM輸出，協(xié)調(diào)各模塊工作，實(shí)現(xiàn)邏輯上與功能上的恒溫控制。在裝置整體功能上追求高性能、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高精確的目標(biāo)。其中統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)水恒溫控制與大小溫差的智能調(diào)節(jié)控制是本次設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括：（1）利用STM32F103系列的MCU作為系統(tǒng)上位機(jī)主控模塊的核心；（2）對(duì)基本功能的鍵入與提示的設(shè)計(jì)（按鍵及蜂鳴器、OLED顯示模塊）；（3）下位機(jī)監(jiān)測(cè)控制模塊的設(shè)計(jì)（溫度、繼電器、加熱、降溫、供水模塊）；（4）編寫(xiě)核心控制代碼（開(kāi)發(fā)工具為Keil5，編程語(yǔ)言為C/C++）；（5）實(shí)現(xiàn)邏輯上與功能上的恒溫控制（采用PID算法協(xié)調(diào)各模塊）；（6）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確與系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)。

2 硬件模塊的設(shè)計(jì)與選型

水恒溫智能控制監(jiān)測(cè)裝置在實(shí)際生活中的應(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)多元化，主要功能是實(shí)現(xiàn)控制容器內(nèi)或者管道內(nèi)的水溫恒定，以此方便生活使用或者工業(yè)使用。在主要功能之外，該系統(tǒng)還需要配備的功能如下：開(kāi)關(guān)功能，能夠主動(dòng)管理通電喚醒設(shè)備；參數(shù)設(shè)定、功能選擇鍵入的功能，能夠匹配程序內(nèi)的設(shè)定和設(shè)計(jì)；系統(tǒng)信息顯示功能，能夠顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和關(guān)鍵信息；系統(tǒng)狀態(tài)提示功能，當(dāng)有新的操作錄入或反饋時(shí)返回提示；傳感器信息捕獲、恒溫自校準(zhǔn)、過(guò)熱保護(hù)、預(yù)加熱等功能。以下是根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析之后，為硬件架構(gòu)搭配的設(shè)計(jì)方案與選型結(jié)果。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)是以STM32F103C8T6處理器為MCU，搭配OLED顯示屏，集成按鍵輸入、繼電器控制、DS18B20多點(diǎn)溫度采集、PID控制I/O口PWM輸出等功能綜合實(shí)現(xiàn)水恒溫智能監(jiān)測(cè)控制。硬件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖1所示的硬件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，還分為系統(tǒng)上行監(jiān)測(cè)布局與下行控制布局，分別如圖2、圖3所示。

圖2 上行監(jiān)測(cè)布局

圖3 下行控制布局

2.2 硬件選型

各硬件模塊型號(hào)或參數(shù)的具體情況為：（1）一塊STM32F103C8T6主控芯片；（2）一塊用于圖像輸出的0.96寸128×64分辨率OLED顯示屏；（3）一組用于用戶輸入的微動(dòng)按鍵按鈕；（4）一個(gè)用于聲音提示的無(wú)源蜂鳴器；（5）一個(gè)DS18B20溫度傳感器；（6）控制模塊采用的是繼電器、PWM調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)；（7）執(zhí)行模塊采用的是PTC加熱片、直流泵、半導(dǎo)體制冷片；（8）供電部分采用3～12 V/10 A可調(diào)直流電源、升壓模塊。

3 核心控制算法的選擇

PID控制算法是工業(yè)控制領(lǐng)域使用最廣泛的算法之一，共有兩類：模擬PID控制和數(shù)字PID控制。數(shù)字PID再次細(xì)分為增量式數(shù)字PID和位置式數(shù)字PID。本次設(shè)計(jì)采用增量式PID控制算法，表達(dá)式為：

式中：為比例增益；和分別為積分和微分時(shí)間常數(shù)；為給定值與測(cè)量值之差。由式（1）可以看出，一旦確定了、、，輸出的?()值只與最近三次的采樣值有關(guān)，對(duì)微分部分進(jìn)行加權(quán)處理后可使得輸出值平滑穩(wěn)定，此改動(dòng)會(huì)在產(chǎn)生大偏差時(shí)使系統(tǒng)誤動(dòng)作較小，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對(duì)象，如步進(jìn)電機(jī)等。

影響裝置穩(wěn)定性與恒溫精確性的關(guān)鍵因素?zé)o非是模糊控制策略與PID算法控制PWM輸出，在主程序中初始化PID后，系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)根據(jù)溫度偏差每500 ms調(diào)用一次PID算法，更改核心板I/O口，輸出隨占空比相應(yīng)變化的PWM，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變用電器功率的目的。

4 實(shí)施過(guò)程

4.1 核心板上電、關(guān)鍵元器件初始化和檢查

以STM32F103C8T6作為核心處理器的開(kāi)發(fā)板通電后，在未進(jìn)入主系統(tǒng)前會(huì)優(yōu)先對(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行初始化和檢查，如OLED、DS18B20、按鍵、蜂鳴器；元器件初始化后，通過(guò)OLED顯示屏反饋初始化情況，初始化不成功則顯示錯(cuò)誤；之后進(jìn)入ESP無(wú)線配網(wǎng)，連接程序內(nèi)指定名稱和IP的TCP Server端；最后，進(jìn)入系統(tǒng)待機(jī)，等待測(cè)試人員設(shè)定目標(biāo)溫度ST并開(kāi)啟系統(tǒng)。

4.2 點(diǎn)亮OLED

在燒錄STM32芯片的代碼中配置開(kāi)啟OLED屏幕I/O口時(shí)鐘，同時(shí)根據(jù)SPI通信協(xié)議配置引腳，一次復(fù)位后開(kāi)啟配置，寫(xiě)入一系列寫(xiě)命令配置OLED分頁(yè)模式等初始化操作完成OLED初始化。

4.3 DS18B20傳感器多點(diǎn)測(cè)溫

多點(diǎn)測(cè)溫是通過(guò)單一I/O口連接多傳感器，實(shí)施例的關(guān)鍵點(diǎn)是通過(guò)芯片向傳感器發(fā)送讀時(shí)序，記錄傳感器反饋的內(nèi)部光刻ROM信息，并更新DS18B20_ID數(shù)組綁定每個(gè)傳感器；通過(guò)定時(shí)拉低復(fù)位總線的方式，使得芯片向傳感器發(fā)送讀數(shù)據(jù)時(shí)序，記錄每個(gè)傳感器寫(xiě)入的字節(jié)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)DS18B20_ID區(qū)分不同數(shù)據(jù)；最后通過(guò)使用公式轉(zhuǎn)換獲得高精度的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后的溫度精度可達(dá)0.06。

4.4 PWM控制

PWM脈寬調(diào)制可結(jié)合微型處理器的數(shù)字輸出口或引腳控制模擬電路，系統(tǒng)使用PWM開(kāi)關(guān)模塊，可根據(jù)輸入波形的占空比正比調(diào)節(jié)DC的輸出比例；初始芯片中通過(guò)通用定時(shí)器配置周期為12.5 ms的PWM方波；銜接開(kāi)關(guān)模塊后，通過(guò)更改PWM輸出通道的占空比，即更改一個(gè)周期內(nèi)的高電平比例，實(shí)現(xiàn)用電器輸出功率的控制。

4.5 PID算法程序控制

本設(shè)計(jì)中選擇增量式數(shù)字PID控制算法。在主程序中初始化PID后，系統(tǒng)的溫度采集實(shí)時(shí)刷新；在恒溫系統(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)下，通用定時(shí)器每隔500 ms自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度偏差，調(diào)用一次PID算法程序計(jì)算輸出量的變化。結(jié)合上述過(guò)程實(shí)時(shí)更新PWM的輸出占空比，即可實(shí)現(xiàn)用電器功率的動(dòng)態(tài)改變，從而控制加熱片、制冷片工作，實(shí)現(xiàn)水恒溫的調(diào)節(jié)與控制。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

對(duì)于系統(tǒng)恒溫測(cè)定，采用控制變量法，在室溫22 ℃下控制加熱水量為1 L，開(kāi)啟設(shè)備后，在恒溫池中溫度即將達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，每分鐘記錄一次溫度讀數(shù)，設(shè)定恒溫溫度值下半小時(shí)內(nèi)記錄多組溫度變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，如圖4所示。

圖4 設(shè)定溫度值穩(wěn)定時(shí)溫度浮動(dòng)數(shù)據(jù)

從溫度變化曲線上可以看出，曲線基本趨向于直線，穩(wěn)態(tài)溫度上下浮動(dòng)范圍在±0.1 ℃之間，即穩(wěn)態(tài)誤差約為±0.1 ℃，溫度波動(dòng)趨于穩(wěn)定。

在水恒溫控制過(guò)程中，環(huán)境溫度、元器件功率等因素的影響難以避免，這就會(huì)影響到恒溫范圍的測(cè)定，考慮到安全性和系統(tǒng)不足，僅在17～35 ℃范圍內(nèi)測(cè)定了溫度調(diào)節(jié)，故本研究中重點(diǎn)測(cè)定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。不過(guò)類比實(shí)驗(yàn)搭建，采用工業(yè)化或電器化配置則會(huì)有更明顯的反饋，并且可測(cè)定更大的恒溫范圍。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6的MCU為主控，結(jié)合相關(guān)功能電路及模塊，協(xié)調(diào)完成監(jiān)測(cè)與控制，以便實(shí)現(xiàn)水溫恒定。具體總結(jié)為：（1）搭建系統(tǒng)基本模型，完成各模塊初始化配置與信息反饋顯示；（2）解決恒溫的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)基于DS18B20的多點(diǎn)測(cè)溫；（3）配置并輸出周期為10 ms的PWM；（4）成功為系統(tǒng)加入PID，調(diào)節(jié)PWM實(shí)時(shí)控制調(diào)整用電元器件的輸出功率；（5）限于加熱、降溫器件功率，實(shí)現(xiàn)了小范圍內(nèi)的恒溫，但是恒溫穩(wěn)態(tài)誤差控制為±0.1 ℃。后期對(duì)該恒溫系統(tǒng)功能可以補(bǔ)充系統(tǒng)數(shù)據(jù)及狀態(tài)上發(fā)功能，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得設(shè)備更加智能化。思路是將系統(tǒng)內(nèi)部信息通過(guò)串口，結(jié)合ESP8266無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)上發(fā)給上位機(jī)，當(dāng)前上位機(jī)為T(mén)CP SERVER，即后期開(kāi)發(fā)移植可將設(shè)備聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能化控制。除了方便后期開(kāi)發(fā)移植，也在很大程度上使設(shè)備設(shè)計(jì)更加具有智能化特點(diǎn)。