基于STM32F103VBT6的射頻加熱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計*

劉洲峰,黎小靜,呂云鵬,李春雷

(中原工學院 電子信息學院，河南 鄭州 450007)

大功率射頻烘干設備作為紡機、印染工業(yè)的新型設備之一，對提高產(chǎn)品質(zhì)量起著關鍵的作用。對其的研究，無論在理論或實際應用方面，都有十分重要的意義。射頻烘干作為一種高效新型加熱手段只有幾十年歷史，但正是由于其選擇性介質(zhì)加熱的特點，射頻烘干能被迅速地應用于食品、化工、紡織、醫(yī)療、農(nóng)林漁業(yè)等領域。射頻烘干與傳統(tǒng)加熱方式（熱傳導、對流、輻射）的機理完全不同，它能使被加熱物料本身發(fā)熱，不需要熱傳導過程，而且設備與空氣不吸收熱量，物料內(nèi)、外在瞬間達到加熱溫度。與傳統(tǒng)的電加熱、遠紅外加熱相比,它能節(jié)能2～3倍以上，加熱效率提高3～5倍，并且具有加熱均勻、熱慣性小、即時性好、易于控制等優(yōu)點。在其加熱過程中，無有害氣體排放，不產(chǎn)生余熱和粉塵污染，因此射頻加熱既高效節(jié)能又安全環(huán)保，應用前景十分廣闊。

STM32F103VBT6是意法半導體公司的新推產(chǎn)品，高性能、高代碼密度、小硅片面積三璧合一。內(nèi)建了嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，具有極低的終端延遲,支持Thumb-2指令集 (強大的位操作指令)，擁有32 bit硬件除法指令和單周期乘法指令，性能接近DSP；內(nèi)部各個部件可以進行功耗的控制,接近MSP430超低功耗單片機的水平。

針對射頻烘干設備的特點,本設計選用STM32F103VBT6作為核心處理器，研制了基于STM32F103VBT6的射頻加熱溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其包括AM2303溫濕度數(shù)據(jù)采集、SD卡、Flash、TFT-LCD顯示等模塊。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是射頻加熱裝置控制系統(tǒng)的重要組成部分，對整個射頻加熱系統(tǒng)溫濕度的有效、精確的控制能保證整個系統(tǒng)高效地運行[1]。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集電路、電源電路、TFT-LCD顯示電路、MCU、Flash、EEPROM、SD卡、繼電器驅動電路、繼電器等構成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。主處理器采用意法半導體的STM32F103VBT6，溫濕度數(shù)據(jù)采集采用AM2303模塊，數(shù)據(jù)顯示采用SPI接口的TFT-LCD觸摸屏。AM2303采集射頻加熱裝置的溫、濕度數(shù)據(jù)并通過單總線傳給處理器，處理器對數(shù)據(jù)處理后作出相應動作并將信息送至TFT-LCD屏進行顯示。當溫濕度過高時，系統(tǒng)將停止加熱，并啟動冷卻和抽濕裝置。

1.1 電源設計

通過變壓器將220 V交流電轉換為9 V，然后經(jīng)過整流、濾波后輸入LM7805三端穩(wěn)壓集成芯片，從而輸出5V電壓。由于STM32F103VBT6工作所需電壓為3.3 V，故需進一步降低電源電壓。本設計選取AMS1117作為系統(tǒng)的3.3 V穩(wěn)壓芯片給處理器供電。

1.2 控制器設計

本設計中STM32F103VBT6外接8 MHz晶振，采用手動和上電自動復位，啟動方式選擇Flash啟動，MCU與SPI外設通過SPI口相連。

1.3 SD卡接口設計

SD卡一般支持兩種操作模式:SD卡模式和SPI模式。SPI模式允許簡單地通過SPI接口與SD卡通信，這種模式同SD卡模式相比喪失了速度。

SD卡只能使用3.3 V的I/O電平，所以MCU一定要能支持3.3 V的I/O端口輸出。在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加 10 kΩ～100 kΩ的上拉電阻。在 SD卡收到復位命令（CMD0）時，若 CS為有效電平則SPI模式被啟用。

1.4 TFT-LCD接口設計

本設計中TFT-LCD模塊采用的LCD驅動器IC為ILI9320,屏幕采用 26萬色的TFT-LCD,分辨率為320×240，接口為16 bit的80并口。TFT-LCD模塊接口采用2×17的2.54排母與外部連接,接口定義如圖2所示。

1.5 Flash電路設計

本設計中采用的Flash芯片為SPI Flash芯片W25×16，該芯片容量為 2 MB,與 AT45DB161一樣。W25×16的最少擦除單位為一個扇區(qū)，即每次必須擦除4 KB。W25X16的擦寫周期多達10萬次，具有20年的保存期限，支持電壓為2.7 V～3.6 V,支持標準的SPI,最大SPI時鐘可到75 MHz,其連接電路如圖3所示。

1.6 EEPROM電路設計

本設計中的EEPROM采用ATMEL公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的AT24系列EEPROM，操作時有芯片尋址和片內(nèi)子地址尋址兩種尋址方式。EEPROM原理圖如圖4所示。A0、A1、A2為可編程地址輸入端，GND為電源地，SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，SCL為串行時鐘輸入端，WP為寫保護輸入端，用于硬件數(shù)據(jù)保護，VCC為電源正端。

1.7 溫、濕度數(shù)據(jù)采集電路設計

溫濕度傳感器采用廣州奧松公司的AM2303模塊，該模塊的特點為：超低功耗、傳輸距離遠、全部自動化校準、采用電容式濕敏元件、完全互換、標準數(shù)字單總線輸出、卓越的長期穩(wěn)定性、采用高精度測溫元件。

溫濕度數(shù)據(jù)采集原理圖如圖5所示。AM2303的供電電壓范圍為 3.5 V～5.5 V，建議供電電壓為 5 V。數(shù)據(jù)線SDA引腳為三態(tài)結構，用于讀/寫傳感器數(shù)據(jù)。VDD為電源引腳，GND為電源地。

1.8 報警電路設計

報警電路采用有源蜂鳴器，電路如圖6所示，有源蜂鳴器操作簡單，且實用性強。當MCU處理器I/O口輸出低電平時，蜂鳴器響起；相反，則蜂鳴器停止。

1.9 繼電器電路設計

本設計中繼電器采用松樂公司的單路繼電器，其設計電路如圖 7所示。2、5端接J3接線端子，2、4端常閉，通過1、3端的電流由驅動芯片提供，當驅動芯片控制端送出低電平時，繼電器1、3端有電流流過,繼電器吸合；當驅動芯片控制端送出高電平時，繼電器1、3端無電流流過，繼電器斷開。LED作為繼電器的工作狀態(tài)指示燈,當繼電器吸合時，LED燈亮;當繼電器斷開時,LED熄滅。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 初始化配置

初始化STM32F103VBT6的時鐘配置寄存器，用函數(shù)Stm32_Clock_Init(u8 PLL)初始化時鐘，采用外部 8 MHz晶振。用delay_init()函數(shù)初始化延遲函數(shù)，對端口配置寄存器CRL和CRH進行配置，對數(shù)據(jù)寄存器IDR和ODR賦值確定端口初始狀態(tài)。

2.2 采集數(shù)據(jù)

MCU發(fā)送一次起始信號 （把數(shù)據(jù)總線SDA拉低至少 800 μs）后，AM2303從休眠模式轉換到高速模式。待主機開始信號結束后，AM2303發(fā)送響應信號，從數(shù)據(jù)總線SDA串行送出40 bit的數(shù)據(jù),先發(fā)送字節(jié)的高位,發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位。發(fā)送數(shù)據(jù)結束觸發(fā)一次信息采集，采集結束傳感器自動轉入休眠模式，直到下一次通信來臨。AM2303傳感器讀單總線的流程圖示意圖如圖8所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

首次啟動系統(tǒng)時,通過SD卡將文件系統(tǒng)燒寫進Flash中，將系統(tǒng)上電后先復位，然后初始化各個模塊驅動子程序。在初始化過程中先從EEPROM中讀取存儲的系統(tǒng)信息，看是否需要更新漢字字庫等系統(tǒng)數(shù)據(jù)。如果已經(jīng)更新過，則讀取采集來的溫、濕度數(shù)據(jù)，用PID算法[2]對采集的數(shù)據(jù)進行處理，對處理的結果進行判斷并進行相應的處理,程序流程如圖9所示。所謂的PID控制[3]，就是按偏差的比例、積分、微分進行控制。PID控制的形式多種多樣，常用的有位置式和增量式[4]。根據(jù)對象的特點,系統(tǒng)采用PID增量式控制算法。增量PID算法如式(1)所示：

其中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分放大系數(shù)，U(k)表示第k個采樣時刻的控制量,e(k)表示第k個采樣時刻的行向輸入偏差。

圖8 單總線讀取程序流程圖

圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖

經(jīng)驗證,該系統(tǒng)能充分實現(xiàn)溫、濕度的實時顯示與控制，達到智能數(shù)字控制儀表的要求。系統(tǒng)具有很好的調(diào)控功能，靜態(tài)、動態(tài)指標都達到了要求，整個系統(tǒng)抗干擾性強、可靠性高、自適應能力強、精度高、操作方便。系統(tǒng)的超標量低于1%,調(diào)節(jié)時間小于 30 s，溫、濕度數(shù)據(jù)采集更新時間為2 s，射頻烘干箱內(nèi)部溫度達到了很好的控制效果?？梢愿鶕?jù)織物面料的不同來設定加熱的溫度和濕度，從而使設備的實用性和性價比最大化，不但提高了設備的適用范圍,而且提升了織物的品質(zhì)和附加值。該系統(tǒng)不僅可以用于紙張、茶葉、藥材等烘干設備的溫、濕度控制系統(tǒng)中，而且在降低設定值時還可以用于空調(diào)等恒溫控制設備的控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的設計方法在烘干設備控制器中具有一定的借鑒意義和推廣價值。

[1]吳興純，趙金燕，楊秀蓮.基于 80C52單片機的電加熱數(shù)字恒溫控制系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2011,19(11):82-84.

[2]李芳，白曉虎，紀建偉.基于模糊控制的溫室控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機化研究，2007(1):83-84.

[3]SUNG S W.New process identification method for automatic design of PID controllers[J].Automatic,1998,34(4):513-520.

[4]李林.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及驗證[J].北京工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2010,9(4)：23-25.