李梁京，張雪芹，劉華波*

（1.中車(chē)工業(yè)研究院（青島）有限公司，青島 266071；2.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071；3.山東省工業(yè)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的逐步提高,對(duì)恒溫控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性以及信息顯示的多元化要求日益增高。本設(shè)計(jì)將USART-HMI智能串口屏應(yīng)用到恒溫控制系統(tǒng)中,使系統(tǒng)更加智能化、人性化,整個(gè)系統(tǒng)不需要外加開(kāi)關(guān)控制電路,用戶(hù)可以直接操作屏幕的圖形界面實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溫度、時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置,極大地提高了人機(jī)交互的體驗(yàn)[1,2]。此外,針對(duì)傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)功能單一、可擴(kuò)展性低的弊端,本系統(tǒng)采用RS485接口實(shí)現(xiàn)主控單元與變頻器之間的級(jí)聯(lián)通訊,具有接線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展方便、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3]。且變速運(yùn)行下的風(fēng)機(jī)不僅降低了噪音,同時(shí)減少了機(jī)械磨損,延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命,降低了維修成本和時(shí)間；且此調(diào)速方法可減少無(wú)功電流和無(wú)功損耗,節(jié)能效果顯著。本系統(tǒng)不僅適用于智能家居的溫度控制,在蔬菜大棚、動(dòng)物養(yǎng)殖等對(duì)溫度要求較高的領(lǐng)域同樣適用。另外,系統(tǒng)預(yù)留外部接口供進(jìn)一步擴(kuò)展功能使用,例如可以搭載藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙通訊控制環(huán)境溫度,利用WiFi模塊上傳溫度記錄至服務(wù)器端等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由USART-HMI智能串口屏、STM32F103微控制器[3]、電源模塊、溫度采集模塊、RS485通訊模塊以及繼電器控制模塊組成。利用USARTHMI智能串口屏進(jìn)行人機(jī)交互并控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；STM32作為主控單元,用于接收溫度信息、用戶(hù)操作指令、以及控制變頻器、繼電器等信息的分析與處理,同時(shí)按照微控制器接收的信息優(yōu)先等級(jí)執(zhí)行對(duì)應(yīng)指令[5,6]。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 USART-HMI智能串口屏

USART-HMI智能串口屏采用DC5V供電,通過(guò)串口通信與CPU主控模塊連接。此串口屏的內(nèi)部功能強(qiáng)大,具有多種組態(tài)控件：按鈕控件、進(jìn)度條控件、文本控件、指針控件等。首先,在運(yùn)行中MCU通過(guò)串口指令改變控件的屬性就可以改變屏幕上顯示的內(nèi)容,例如可通過(guò)串口發(fā)送或?qū)懭霐?shù)據(jù)對(duì)頁(yè)面ID、字符內(nèi)容、文本控件屬性等進(jìn)行修改；其次,此串口屏不占用太多CPU資源,因?yàn)榇蠖鄶?shù)需要界面顯示的內(nèi)容是通過(guò)屏幕本身的處理器實(shí)現(xiàn)的,因此MCU只用發(fā)送指令,而不需要編寫(xiě)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序；再次,屏幕廠家提供的上位機(jī)軟件簡(jiǎn)單易用,通過(guò)圖形化的方式就可以對(duì)人機(jī)界面的布局和大多數(shù)的邏輯（比如界面背景,按鈕效果,文本顯示等）進(jìn)行設(shè)置,十分便捷和高效。除此之外,USART-HMI智能串口屏通過(guò)串口中斷收、發(fā)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)性強(qiáng),且不會(huì)因?yàn)樗⑿陆缑娑a(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包等問(wèn)題。本系統(tǒng)以菜單的形式,通過(guò)設(shè)備本身自帶的上位機(jī)軟件設(shè)置溫度、時(shí)間等參數(shù),并對(duì)系統(tǒng)界面層次進(jìn)行劃分[7,8]。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)所使用的電壓有5v和3.3v,系統(tǒng)電源為220v交流電輸入,首先采用具有高精度且集成有過(guò)流保護(hù)電路的電源芯片TP15AT220S05W,將220V交流電轉(zhuǎn)換得到5v直流電,再采用具有高速響應(yīng)特性的芯片ME6212C33M5G將電壓穩(wěn)定至3.3v。圖4通過(guò)帶隔離的DC-DC芯片將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離。

圖2 220v-5v電源電路圖

圖3 5v-3.3v電源電路圖

圖4 485通信電源隔離電路圖

2.3 RS485通信電路

通信電路采用美信半導(dǎo)體的MAX485芯片,此芯片成熟度高,應(yīng)用方便,如下圖5所示為芯片的電路原理圖。MAX485芯片采用+5v電源供電,為了保障傳輸信號(hào)的可靠性,通信芯片采用隔離電源獨(dú)立供電。MAX485芯片的8腳為電源輸入,5腳為電源地；6腳和7腳是差分信號(hào)傳輸引腳,由于通信端口需要外接線纜,會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)引入干擾,為了提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力,需要在芯片電路上設(shè)計(jì)阻抗匹配,故在芯片的差分信號(hào)引腳之間連接一個(gè)終端電阻R[9],此處選用120Ω。1腳和4腳為串口通信引腳,與單片機(jī)上的串口引腳相連接；2腳和3腳是信號(hào)傳輸方向選擇引腳,為了節(jié)省單片機(jī)IO使用數(shù)量,將這兩個(gè)引腳連到一起由同一個(gè)單片機(jī)IO使能。常態(tài)下將使能引腳拉低,MAX485處于接收狀態(tài),當(dāng)外部有信號(hào)通過(guò)P9輸入時(shí),經(jīng)芯片處理后轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)；當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),由單片機(jī)控制將使能引腳拉高,芯片接收串口數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)輸出,數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再將使能引腳拉低。

圖5 RS485通信電路圖

2.4 溫度采集電路

溫度采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要,因此采用測(cè)溫范圍比較寬且線性度非常好的PT100實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。采集電路如圖6所示,根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”原則,TLC2272的1腳電壓等于其3腳電壓（即PT100采集的電壓信號(hào)）,此電路具有電壓跟隨作用,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和濾波。由于PT100的工作電流小,電壓比較微弱,需要進(jìn)行信號(hào)的放大處理以便于單片機(jī)的AD采樣,根據(jù)同向比例運(yùn)算放大器的放大原理,TLC2272的7腳電壓將PT100采集的電壓信號(hào)放大11倍。放大后的電壓信號(hào)連接STM32F103VCT6的引腳PC0,單片機(jī)對(duì)采集過(guò)來(lái)的電壓進(jìn)行換算,可以得到pt100兩端的電壓,通過(guò)歐姆定律計(jì)算出pt100的阻值,再經(jīng)過(guò)查表獲取當(dāng)前的阻值對(duì)應(yīng)的溫度。

圖6 溫度采集電路圖

2.5 繼電器控制電路

使用光電耦合器作為繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的繼電器控制電路如圖7所示。當(dāng)單片機(jī)的PE1腳設(shè)置為高電平時(shí),光耦內(nèi)部的LED點(diǎn)亮,驅(qū)動(dòng)光耦內(nèi)部的光敏三極管導(dǎo)通,繼電器線圈吸合控制相應(yīng)設(shè)備工作,此外光電耦合器還可以有效隔離輸出側(cè)對(duì)主回路的影響。當(dāng)光電耦合器由導(dǎo)通變?yōu)榻財(cái)鄷r(shí),線圈斷電,為避免線圈里的磁場(chǎng)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿電路元件,在繼電器線圈兩端反接續(xù)流二極管D17把反向電動(dòng)勢(shì)以電流的形式中和掉。

圖7 繼電器控制電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圍繞本系統(tǒng)硬件電路和設(shè)計(jì)要求,由USART-HMI智能串口屏組成的核心控制器設(shè)計(jì)流程如下：系統(tǒng)運(yùn)行前先進(jìn)行初始化,初始化完成后系統(tǒng)根據(jù)硬件要求進(jìn)行自檢,主要檢測(cè)模塊有溫度采集功能檢測(cè),變頻器故障檢測(cè),變頻器RS485通訊功能檢測(cè)。系統(tǒng)自檢完成后,通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL接口將串口屏與電腦相連,在串口屏“前初始化命令”中輸入“baud=115200”,設(shè)置串口屏與單片機(jī)波特率一致并將設(shè)計(jì)的界面源程序下載到串口屏上。通過(guò)串口屏直接設(shè)定目標(biāo)溫度,單片機(jī)每隔5s進(jìn)行一次AD采樣,當(dāng)采集的溫度值大于設(shè)定溫度時(shí),變頻風(fēng)機(jī)啟動(dòng),顯示屏上雪花圖樣的藍(lán)色指示燈亮起；當(dāng)采集的溫度值小于設(shè)定溫度時(shí),加熱器啟動(dòng),同時(shí)顯示屏上太陽(yáng)圖樣的紅色指示燈亮起；當(dāng)采集溫度與設(shè)定溫度相同,顯示屏上彩燈亮起。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)物測(cè)試

按照系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行接線,并在USART-HMI智能串口屏自帶的上位軟件中對(duì)軟件程序進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試,調(diào)試完成后將實(shí)物置于一個(gè)封閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。如圖9所示,單片機(jī)上電后,讀取當(dāng)前環(huán)境溫度為22.4℃,在USART-HMI智能串口屏上設(shè)定目標(biāo)溫度為25.0℃,紅燈亮起,代表加熱器處于工作狀態(tài),70S后,顯示當(dāng)前環(huán)境溫度為24.7℃,85s后,彩燈亮起,說(shuō)明溫度已達(dá)設(shè)定值。隨著加熱器關(guān)閉后剩余熱量繼續(xù)散熱,導(dǎo)致溫度微微上升略高于設(shè)定溫度,風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作進(jìn)行降溫,彩燈熄滅藍(lán)燈亮起。當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時(shí),藍(lán)燈熄滅彩燈亮起,如此循環(huán)保證系統(tǒng)溫度一直處于設(shè)定值范圍之內(nèi)。

圖9 實(shí)物測(cè)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用USART-HMI智能串口屏實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的恒溫控制,不僅提高了系統(tǒng)的智能化、多元化,且人機(jī)交互界面更加友好；通過(guò)串口屏便可直接對(duì)溫度、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,可操作性強(qiáng)。單片機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)之間采用RS485通訊方式,功耗低,穩(wěn)定性好,可擴(kuò)展性強(qiáng),具有較好的推廣應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。