李 康，周 薇，王想實

（無錫職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214121）

0 引 言

日常生活中，對于恒溫水的需求必不可少，但大多傳統(tǒng)產(chǎn)品僅為簡易的加熱與保溫裝置，在需要使用的時候由人工開啟加熱，加熱完成后產(chǎn)品自動結束加熱操作，水溫也會在隨后開始下降到室溫。隨著人們對生活質量的要求越來越高，對控制水溫恒定產(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具有重要意義。由此可以在提高生活質量和舒適度的同時，節(jié)約水資源與電能、燃氣等資源。國內外對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題。這樣的情況下使得用戶使用起來總是需要反復加熱，會導致裝置的溫控不精確，反復大功率地加熱還會造成能量浪費與元器件壽命損害等。為實現(xiàn)水溫的快速、準確、恒定控制，設計了一款基于單片機的智能恒溫監(jiān)測控制裝置。

1 智能水恒溫控制監(jiān)測裝置的整體設計

本文設計了一套基于STM32的水恒溫智能監(jiān)測控制裝置，實現(xiàn)裝置開啟狀態(tài)下的恒溫出水與內部恒溫協(xié)調控制功能。硬件利用STM32F103系列的MCU作為系統(tǒng)上位機主控模塊的核心，溫度提示采用按鍵、蜂鳴器、OLED顯示模塊實現(xiàn)；下位機的溫度監(jiān)測控制采用溫度、繼電器、加熱、降溫、供水等模塊實現(xiàn)。軟件設計是在Keil5中利用C/C++編寫各模塊核心控制程序，引入PID算法，配合PWM輸出，協(xié)調各模塊工作，實現(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。其中統(tǒng)籌實現(xiàn)水恒溫控制與大小溫差的智能調節(jié)控制是本次設計的兩個關鍵點。

本次設計的具體內容包括：（1）利用STM32F103系列的MCU作為系統(tǒng)上位機主控模塊的核心；（2）對基本功能的鍵入與提示的設計（按鍵及蜂鳴器、OLED顯示模塊）；（3）下位機監(jiān)測控制模塊的設計（溫度、繼電器、加熱、降溫、供水模塊）；（4）編寫核心控制代碼（開發(fā)工具為Keil5，編程語言為C/C++）；（5）實現(xiàn)邏輯上與功能上的恒溫控制（采用PID算法協(xié)調各模塊）；（6）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確與系統(tǒng)的安全設計。

2 硬件模塊的設計與選型

水恒溫智能控制監(jiān)測裝置在實際生活中的應用場景呈現(xiàn)多元化，主要功能是實現(xiàn)控制容器內或者管道內的水溫恒定，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：開關功能，能夠主動管理通電喚醒設備；參數(shù)設定、功能選擇鍵入的功能，能夠匹配程序內的設定和設計；系統(tǒng)信息顯示功能，能夠顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)和關鍵信息；系統(tǒng)狀態(tài)提示功能，當有新的操作錄入或反饋時返回提示；傳感器信息捕獲、恒溫自校準、過熱保護、預加熱等功能。以下是根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析之后，為硬件架構搭配的設計方案與選型結果。

2.1 硬件設計

硬件架構設計是以STM32F103C8T6處理器為MCU，搭配OLED顯示屏，集成按鍵輸入、繼電器控制、DS18B20多點溫度采集、PID控制I/O口PWM輸出等功能綜合實現(xiàn)水恒溫智能監(jiān)測控制。硬件整體設計結構如圖1所示。

圖1 硬件整體設計結構

對于圖1所示的硬件整體設計結構，還分為系統(tǒng)上行監(jiān)測布局與下行控制布局，分別如圖2、圖3所示。

圖2 上行監(jiān)測布局

圖3 下行控制布局

2.2 硬件選型

各硬件模塊型號或參數(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按鍵按鈕；（4）一個用于聲音提示的無源蜂鳴器；（5）一個DS18B20溫度傳感器；（6）控制模塊采用的是繼電器、PWM調節(jié)電子開關；（7）執(zhí)行模塊采用的是PTC加熱片、直流泵、半導體制冷片；（8）供電部分采用3～12 V/10 A可調直流電源、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再次細分為增量式數(shù)字PID和位置式數(shù)字PID。本次設計采用增量式PID控制算法，表達式為：

式中：為比例增益；和分別為積分和微分時間常數(shù)；為給定值與測量值之差。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，對微分部分進行加權處理后可使得輸出值平滑穩(wěn)定，此改動會在產(chǎn)生大偏差時使系統(tǒng)誤動作較小，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作，適用于執(zhí)行機構帶積分部件的對象，如步進電機等。

影響裝置穩(wěn)定性與恒溫精確性的關鍵因素無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)在開機狀態(tài)下自動根據(jù)溫度偏差每500 ms調用一次PID算法，更改核心板I/O口，輸出隨占空比相應變化的PWM，從而實現(xiàn)動態(tài)改變用電器功率的目的。

4 實施過程

4.1 核心板上電、關鍵元器件初始化和檢查

以STM32F103C8T6作為核心處理器的開發(fā)板通電后，在未進入主系統(tǒng)前會優(yōu)先對關鍵元器件進行初始化和檢查，如OLED、DS18B20、按鍵、蜂鳴器；元器件初始化后，通過OLED顯示屏反饋初始化情況，初始化不成功則顯示錯誤；之后進入ESP無線配網(wǎng)，連接程序內指定名稱和IP的TCP Server端；最后，進入系統(tǒng)待機，等待測試人員設定目標溫度ST并開啟系統(tǒng)。

4.2 點亮OLED

在燒錄STM32芯片的代碼中配置開啟OLED屏幕I/O口時鐘，同時根據(jù)SPI通信協(xié)議配置引腳，一次復位后開啟配置，寫入一系列寫命令配置OLED分頁模式等初始化操作完成OLED初始化。

4.3 DS18B20傳感器多點測溫

多點測溫是通過單一I/O口連接多傳感器，實施例的關鍵點是通過芯片向傳感器發(fā)送讀時序，記錄傳感器反饋的內部光刻ROM信息，并更新DS18B20_ID數(shù)組綁定每個傳感器；通過定時拉低復位總線的方式，使得芯片向傳感器發(fā)送讀數(shù)據(jù)時序，記錄每個傳感器寫入的字節(jié)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)DS18B20_ID區(qū)分不同數(shù)據(jù)；最后通過使用公式轉換獲得高精度的溫度數(shù)據(jù)，轉換后的溫度精度可達0.06。

4.4 PWM控制

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

4.5 PID算法程序控制

本設計中選擇增量式數(shù)字PID控制算法。在主程序中初始化PID后，系統(tǒng)的溫度采集實時刷新；在恒溫系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，通用定時器每隔500 ms自動根據(jù)當前溫度與設定溫度偏差，調用一次PID算法程序計算輸出量的變化。結合上述過程實時更新PWM的輸出占空比，即可實現(xiàn)用電器功率的動態(tài)改變，從而控制加熱片、制冷片工作，實現(xiàn)水恒溫的調節(jié)與控制。

5 實驗數(shù)據(jù)采集與分析

對于系統(tǒng)恒溫測定，采用控制變量法，在室溫22 ℃下控制加熱水量為1 L，開啟設備后，在恒溫池中溫度即將達到設定溫度時開始計數(shù)，每分鐘記錄一次溫度讀數(shù)，設定恒溫溫度值下半小時內記錄多組溫度變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行繪圖，如圖4所示。

圖4 設定溫度值穩(wěn)定時溫度浮動數(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)溫度上下浮動范圍在±0.1 ℃之間，即穩(wěn)態(tài)誤差約為±0.1 ℃，溫度波動趨于穩(wěn)定。

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

6 結 語

本文設計以STM32F103C8T6的MCU為主控，結合相關功能電路及模塊，協(xié)調完成監(jiān)測與控制，以便實現(xiàn)水溫恒定。具體總結為：（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)測準備，實現(xiàn)基于DS18B20的多點測溫；（3）配置并輸出周期為10 ms的PWM；（4）成功為系統(tǒng)加入PID，調節(jié)PWM實時控制調整用電元器件的輸出功率；（5）限于加熱、降溫器件功率，實現(xiàn)了小范圍內的恒溫，但是恒溫穩(wěn)態(tài)誤差控制為±0.1 ℃。后期對該恒溫系統(tǒng)功能可以補充系統(tǒng)數(shù)據(jù)及狀態(tài)上發(fā)功能，結合物聯(lián)網(wǎng)技術使得設備更加智能化。思路是將系統(tǒng)內部信息通過串口，結合ESP8266無線傳輸模塊實時上發(fā)給上位機，當前上位機為TCP SERVER，即后期開發(fā)移植可將設備聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能化控制。除了方便后期開發(fā)移植，也在很大程度上使設備設計更加具有智能化特點。