基于STM32 單片機(jī)的恒溫箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 桔 洪 梅

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

0 引 言

恒溫箱是航空、汽車、家電、科研等領(lǐng)域必備的測(cè)試設(shè)備，用于測(cè)試和確定電工、電子及其他產(chǎn)品及材料進(jìn)行高溫試驗(yàn)的溫度環(huán)境變化后的參數(shù)及性能，是用來(lái)在一定的溫度下飼養(yǎng)或培養(yǎng)生物或生物的一部分(細(xì)胞等)的箱型器具［1］。適合電子、電器、通訊、儀表、車輛、塑膠制品、金屬、食品、化學(xué)、建材、醫(yī)療、航天等制品檢測(cè)質(zhì)量之用。

在實(shí)驗(yàn)室中，特別是生物實(shí)驗(yàn)室，我們?yōu)榱说玫礁訙?zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于恒溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)格。所以針對(duì)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，恒溫箱的作用顯得相當(dāng)重要，對(duì)于我們實(shí)驗(yàn)室的研究過(guò)程以及研究結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)更加準(zhǔn)確的研究結(jié)果對(duì)于我們由此產(chǎn)生的試驗(yàn)成果的實(shí)際運(yùn)用產(chǎn)生積極的作用。

在工業(yè)生產(chǎn)中，恒溫箱的應(yīng)用是廣泛的，工廠車間的產(chǎn)品以及由此相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)都是基于恒溫環(huán)境的后續(xù)發(fā)展。所以恒溫箱的作用在工業(yè)中更是處于舉足輕重的地位。同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中我們對(duì)于恒溫箱的要求也相對(duì)更加嚴(yán)格，比如質(zhì)量的可靠性、恒溫箱的維護(hù)管理費(fèi)用、恒溫箱的本身價(jià)位等，

在醫(yī)藥方面，醫(yī)用恒溫箱主要用于藥品，試劑的儲(chǔ)存，運(yùn)輸;疫苗，血液的冷藏保溫，透析液的加溫，生理鹽水的加溫等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)包括STM32F103 核心板、PT1000 溫度傳感器、放大電路、4×4 矩陣鍵盤、聲光報(bào)警電路、液晶顯示屏、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器控制電路、半導(dǎo)體制冷片及PTC 加熱片，如圖1 所示。

PT1000 溫度傳感器輸出電壓經(jīng)放大電路放大后送到STM32F103 核心板的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后經(jīng)STM32F103 單片機(jī)處理得到相應(yīng)的溫度信息。在某一時(shí)刻箱內(nèi)如果低于設(shè)置溫度則通過(guò)繼電器控制電路使PTC 加熱片開(kāi)始加熱，經(jīng)H 橋驅(qū)動(dòng)電路正向驅(qū)動(dòng)制冷片使半導(dǎo)體制冷片開(kāi)始加熱箱體。當(dāng)箱內(nèi)溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，STM32F103 單片機(jī)發(fā)出控制指令，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路反向驅(qū)動(dòng)制冷片使半導(dǎo)體制冷片開(kāi)始制冷。在液晶顯示屏上顯示箱內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)置溫度。通過(guò)4×4 矩陣鍵盤輸入設(shè)置溫度，也可以在觸摸屏上直接輸入設(shè)置溫度。

2 系統(tǒng)的控制方案

系統(tǒng)采用PID 算法控制單片機(jī)輸出PWM 的占空比從而控制半導(dǎo)體制冷片的功率。在某一時(shí)刻箱內(nèi)溫度如果低于設(shè)置溫度則PTC 加熱片開(kāi)始加熱，經(jīng)H 橋驅(qū)動(dòng)電路正向驅(qū)動(dòng)制冷片使半導(dǎo)體制冷片開(kāi)始加熱箱體。當(dāng)箱內(nèi)溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，STM32F103 單片機(jī)發(fā)出控制指令，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路反向驅(qū)動(dòng)制冷片使半導(dǎo)體制冷片開(kāi)始制冷。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PID 是比例控制(P)、積分控制(I)和微分控制(D)的簡(jiǎn)稱。在過(guò)程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID 控制器是應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)控制器。PID 調(diào)節(jié)規(guī)律［2］是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)形式靈活。控制點(diǎn)包含兩種PID 控制算法，分別是:增量式算法，位置式算法［3］。

本設(shè)計(jì)采用位置式算法，將實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度之差經(jīng)比例微分積分運(yùn)算后擬合成PWM 占空比數(shù)值的變化曲線，輸出給光耦H 橋驅(qū)動(dòng)電路。控制器根據(jù)第n 次被控變量采樣結(jié)果與設(shè)定值之間的偏差e(n)計(jì)算出第n 次采樣之后所輸出的控制變量。位置式PID 控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中u(n－1)是第n－1 次采樣之后所輸出的控制變量?？刂谱兞縰(n)的值將決定第n 次采樣之后執(zhí)行器的動(dòng)作位置。離散化公式:

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

常用的數(shù)字濾波器算法有中值判斷法、算術(shù)平均值法、加權(quán)濾波法、滑動(dòng)濾波法［4］。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。中值濾波對(duì)脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時(shí)，能夠保護(hù)信號(hào)的邊緣，使之不被模糊［5］。中值濾波的算法比較簡(jiǎn)單，也易于用硬件實(shí)現(xiàn)。算術(shù)平均法是求出一定觀察期內(nèi)預(yù)測(cè)目標(biāo)的時(shí)間數(shù)列的算術(shù)平均數(shù)作為下期預(yù)測(cè)值的一種最簡(jiǎn)單的時(shí)序預(yù)測(cè)法。常用的有簡(jiǎn)單算術(shù)平均法和加權(quán)算術(shù)平均法。滑動(dòng)濾波法就是把連續(xù)取N 個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).把隊(duì)列中的N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。此方法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高 適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。

比較幾種濾波方法可以得出。如圖2 所示，中值判斷法更適合恒溫箱的軟件設(shè)計(jì)。

4 調(diào)試

本系統(tǒng)的調(diào)試從傳感器的數(shù)據(jù)輸入開(kāi)始到PWM 的輸出再到GPIO 的測(cè)試每一步都要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的比對(duì)。傳感器的數(shù)據(jù)輸入使用的是STM32 單片機(jī)的AD 端口，使用ADC 時(shí)常常需要不間斷采集大量的數(shù)據(jù)，在一般的器件中會(huì)使用中斷進(jìn)行處理，但使用中斷的效率還是不夠高。在STM32 中，使用ADC 時(shí)往往采用DMA傳輸?shù)姆绞剑蒁MA 把ADC 外設(shè)轉(zhuǎn)換得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM，再進(jìn)行處理，甚至直接把ADC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到串口發(fā)送給上位機(jī)。

圖2 中值判斷法

測(cè)試使用的端口是ADC1 的通道11，單片機(jī)上的引腳為PC1，AD 的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在全局變量ADCConvertedValue 中。將放大器的輸出端接到PC1 上，打開(kāi)電源后，將ADC 的測(cè)試程序燒寫到單片機(jī)中，進(jìn)行在線調(diào)試，觀察Watch1 窗口中ADC－ConvertedValue 值的變化，如圖3 所示。

圖3 Watch1 窗口中ADC－ConvertedValue 值

變量ADC－ConvertedValue 的結(jié)果與真實(shí)值相比誤差很小，ADC 端口調(diào)試通過(guò)。

在STM32 芯片上，I/O 引腳可以被軟件設(shè)置成各種不同的功能，如輸入或輸出，所以被稱為GPIO(General－purpose I/O)。而GPIO 引腳又被分為GPIOA、GPIOB－GPIOG 不同的組，每組端口分為0～15，共16 個(gè)不同的引腳，對(duì)于不同型號(hào)的芯片，端口的組和引腳的數(shù)量不同。

控制LED 就要選定需要控制的特定引腳，配置需要的特定功能，設(shè)置GPIO輸出電壓的高低。

將LED 測(cè)試程序燒寫到單片機(jī)中，如圖4 所示，進(jìn)入調(diào)試界面并全速運(yùn)行，可以觀察到LED 燈間隔500 毫秒閃爍，GPIO 端口沒(méi)有錯(cuò)誤，調(diào)試完成。

圖4 調(diào)試界面

PWM 由通用定時(shí)器產(chǎn)生。通用定時(shí)器是通過(guò)可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)的16 位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成。它適用于很多種場(chǎng)合，包括測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度或者產(chǎn)生輸出波形［6］。使用定時(shí)預(yù)分頻器和RCC 時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長(zhǎng)度和波形周期可以再幾個(gè)微妙到幾個(gè)毫秒之間調(diào)整［7］。定時(shí)器是完全獨(dú)立的沒(méi)有相互共享任何單片機(jī)資源。

調(diào)試使用的是定時(shí)器3 的2 通道，實(shí)現(xiàn)KHz 的不同占空比波形。槳測(cè)試程序燒寫到單片機(jī)中，進(jìn)人在線調(diào)試狀態(tài)，用示波器觀察輸出端口的波形如圖5 所示。

圖5 示波器顯示的波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于微型計(jì)算機(jī)機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的恒溫箱系統(tǒng)，STM32F103 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，使用半導(dǎo)體制冷片作為系統(tǒng)的加熱、制冷設(shè)備，轉(zhuǎn)換效率較高，與使用壓縮機(jī)的恒溫箱相比更節(jié)能更環(huán)保。

系統(tǒng)初步完成了最初的設(shè)計(jì)要求并基本實(shí)現(xiàn)了總體功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)的恒溫范圍在25℃－80℃。超調(diào)量為1℃，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為10min 左右，如圖6 所示本設(shè)計(jì)的實(shí)物圖。

圖6 基于STM32 單片機(jī)的恒溫箱系統(tǒng)實(shí)物圖

［1］ 徐亞飛，劉官敏，高國(guó)章，等.溫箱溫度PID 與預(yù)測(cè)控制［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2004，28(4):554－557.

［2］ 呂芮棟，張志文.以MSP430F149 為核心的溫度檢測(cè)儀的硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù).，2012，35(1):199－201.

［3］ 施春寧，張中華，王濤.談PID 控制的理論分析［J］.山西建筑，2012，38(3):238－240.

［4］ 張鵬飛，齊曉慧.基于N 溝道MOS 管H 橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制作［J］.科技信息，2012(20):147，149.

［5］ 廖建興.基于DB6225 芯片的H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器［J］.研究與設(shè)計(jì)，2012(1):32－35.

［6］ 汪亮亮.溫室溫度檢測(cè)及報(bào)警器的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8(12):2906－2907.

［7］ TomaszKlopot，Jacek czeczot..Flexible function block implementation［J］.Energy and Environment，2014，4(4):21－23.