人機(jī)可交互的水冷式溫控實驗系統(tǒng)設(shè)計

徐志宇， 吳志良， 余有靈

(1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804； 2. 慕尼黑工業(yè)大學(xué) 控制工程系, 慕尼黑 80333，德國)

人機(jī)可交互的水冷式溫控實驗系統(tǒng)設(shè)計

徐志宇1， 吳志良2， 余有靈1

(1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804； 2. 慕尼黑工業(yè)大學(xué) 控制工程系, 慕尼黑 80333，德國)

開發(fā)了一套具有人機(jī)實時交互功能的水冷式溫控實驗系統(tǒng)“iWater”。該系統(tǒng)控制部分采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)：由PTC陶瓷片模擬發(fā)熱對象，STM32型微控制器根據(jù)DS18B20溫度傳感器提供的實時溫度反饋，經(jīng)過PID運算，對H橋驅(qū)動輸出PWM指令，從而對水冷機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速，實現(xiàn)對溫度的恒值控制。擴(kuò)展多種人機(jī)交互功能：通過紅外遙控模塊，可實時設(shè)定溫度、控制策略以及各類參數(shù)；現(xiàn)場輸出選取TFT-LCD屏，可實時顯示溫度曲線；實驗數(shù)據(jù)通過USART通道，在上位機(jī)的VisualScope界面實時繪制溫度曲線，完成對實驗數(shù)據(jù)的觀察、存儲與分析。最終完成了樣機(jī)制作，實驗結(jié)果驗證“iWater”實驗系統(tǒng)的有效性。

水冷機(jī); 溫度控制; 人機(jī)交互; 實驗教學(xué)系統(tǒng)

0 引 言

恒溫控制是自動控制的經(jīng)典研究課題之一，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用極為廣泛[1-6]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)所采用的恒溫控制系統(tǒng)，往往屬于主動加熱方式，即升溫可控-降溫自發(fā)[7-9]。通過控制電阻絲、發(fā)熱陶瓷等加熱器的輸出功率，維持對象的溫度為恒值。

水冷機(jī)通過水循環(huán)將熱源的熱量搬到散熱器上散發(fā)出去，根據(jù)其散熱原理，可以分為主動式和被動式兩種[10-11]。隨著半導(dǎo)體制造和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)內(nèi)部的CPU、GPU等處理器的主頻不斷提高，發(fā)熱也增大，CPU/GPU的水冷散熱技術(shù)受到日益重視，蓬勃發(fā)展[12-13]。

本文選用CPU水冷機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計一套用于實驗教學(xué)的溫控系統(tǒng)，采取主動冷卻方式，即降溫可控-升溫自發(fā)。通過動態(tài)調(diào)節(jié)水冷機(jī)的水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對熱源對象的恒溫控制。與傳統(tǒng)的教學(xué)實驗設(shè)備相比，具有以下突出特點：① 對象的先進(jìn)性和新穎性。采用家用電腦的水冷機(jī)，既貼近生活實際，又是以往實驗中不曾用到過的新型裝置，溫控方式先進(jìn)、設(shè)備新穎。② 內(nèi)容的趣味性和多樣性。采用先進(jìn)新型水冷式溫控裝置，并引入紅外遙控、LCD屏現(xiàn)場監(jiān)控、上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控等豐富人機(jī)交互方式，大大提高了項目的生動性、趣味性，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)、開發(fā)的主動性，設(shè)計出形式多樣，各具特色，擴(kuò)展豐富的控制系統(tǒng)。

1 硬件選型與設(shè)計

1.1 水冷機(jī)

本文采用的BigWater-760 Pro型主動式水冷機(jī)作為溫控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1所示，該水冷機(jī)由鏡面銅底水冷頭、冷卻水容器、水泵、散熱排、風(fēng)扇、旋鈕控制面板等組成，可方便地安裝于臺式PC機(jī)，用于CPU、GPU等高耗能高發(fā)熱處理單元的強(qiáng)制冷卻。

圖1 BigWater-760 Pro型CPU水冷機(jī)

BigWater-760 Pro型水冷機(jī)可通過調(diào)節(jié)水泵/風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2種方式調(diào)節(jié)散熱功率。通過機(jī)理分析和實測，前者調(diào)溫及時、效果顯著,故本文采用固定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，單一改變水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)溫方案。其中水泵采用調(diào)壓調(diào)速方式：由L298N電動機(jī)驅(qū)動板接受微控制器的PWM指令，輸出一個幅值可調(diào)的直流電壓，施加于水泵電動機(jī)的電樞兩端。

1.2 發(fā)熱體

發(fā)熱體是溫控系統(tǒng)中的受控對象。為確保實驗的可重復(fù)性，選取的發(fā)熱體應(yīng)具有自主升溫能力，即要求水冷機(jī)關(guān)機(jī)或低功率輸出時，發(fā)熱體能夠再次升溫至超過預(yù)設(shè)值；為確保實驗的易觀測性，選取的發(fā)熱體應(yīng)具有與水冷機(jī)散熱能力相匹配的熱慣性，即要求水冷機(jī)的運行既不能瞬間改變發(fā)熱體的溫度，也不會長時間無法改變發(fā)熱體的溫度；為確保實驗的安全性，選取的發(fā)熱體應(yīng)具有安全穩(wěn)定的溫度上限，避免師生在實驗過程中發(fā)生燙傷事故。綜合以上考量及實測，本文最終采用市售的PTC發(fā)熱陶瓷片[14](見圖2)作為發(fā)熱體，其最大發(fā)熱功率為50 W，最高工作溫度70 ℃。經(jīng)實驗辨識，其溫度特性可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。

圖2 具有恒溫控制功能的PTC發(fā)熱陶瓷片

1.3 溫度傳感器

溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋機(jī)制，控制量的給出取決于檢測值與設(shè)定值的偏差。因此傳感器的檢測誤差直接影響到整個系統(tǒng)的精度，且無法通過閉環(huán)本身加以克服。本文選用DS18B20型數(shù)字溫度傳感器，可將溫度直接轉(zhuǎn)化數(shù)字信號，測溫范圍為-55～125 ℃，分辨率達(dá)到0.062 5 ℃，檢測及轉(zhuǎn)換時間僅為200 ms，在各種溫控系統(tǒng)中得到廣泛使用[3, 15-17]，能夠滿足iWater實驗系統(tǒng)在溫度檢測方面的功能需求。

1.4 微控制器

微控制器是所有控制策略、算法的載體，接受溫度的預(yù)設(shè)值、實測值，經(jīng)過運算給出合理占空比的PWM指令作用于電動機(jī)驅(qū)動板，在溫控系統(tǒng)中居于核心地位。STM32系列微控制器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，適用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用。本文選用市售的STM32F103RCT6的通用開發(fā)板，主頻72 MHz，可擴(kuò)展多種外設(shè)，可滿足溫控系統(tǒng)在處理能力方面的功能需求。

1.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互為實驗人員提供觀察或干預(yù)實驗裝置運行的渠道。具體包括以下2個方面：

(1) 控制程序和參數(shù)整定的效果測試。本文設(shè)計溫控系統(tǒng)主要用于教學(xué)實驗，應(yīng)當(dāng)具備靈活選擇策略、設(shè)定參數(shù)的功能。在設(shè)計過程中，先后嘗試了矩陣鍵盤觸控和紅外遙控2種輸入方案?？紤]到矩陣鍵盤需采取去抖動措施，且按鍵數(shù)量受限于I/O口資源，本文采用了基于NEC協(xié)議的紅外遙控方案。

(2) 實驗數(shù)據(jù)的采集、可視化及分析處理。在設(shè)計過程中，先后嘗試了OLED、LCD1602、TFT-LCD等3種顯示方案(見圖3)。其中OLED用于調(diào)試程序時各種參數(shù)的顯示，LCD1602用于溫度值的顯示。但上述方案占用I/O資源較多，且無法記錄歷史數(shù)據(jù)、動態(tài)顯示溫度曲線；而TFT-LCD顯示區(qū)域較大，并可編程實時繪制曲線。因此本文最終采用TFT-LCD作為顯示屏。

(a)OLED(b)LCD1602(c)TFT?LCD

圖3 實驗數(shù)據(jù)的可視化方案

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件部分的架構(gòu)

采用ARM公司的Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行STM32程序開發(fā)。編寫項目工程文件，經(jīng)調(diào)試、編譯、連接，生成axf文件，再通過Jlink下載至STM32的Flash中。

軟件在硬件基礎(chǔ)上運行，是溫控系統(tǒng)的靈魂，大致分為5個功能模塊：

(1) 數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。完成對DS18B20溫度傳感器的初始化，對輸入溫度數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

(2) 執(zhí)行控制策略。運行控制程序，實現(xiàn)砰砰控制、PID控制、模糊控制等算法。

(3) 輸出PWM指令。對L298N驅(qū)動板輸出PWM信號，使之產(chǎn)生可調(diào)電壓控制水泵轉(zhuǎn)速。

(4) 人機(jī)交互。接收并識別紅外遙控指令，輸出數(shù)據(jù)于TFT屏幕顯示。

(5) 對上位機(jī)的串口通信。在上位機(jī)PC上以VisualScope界面實時繪制溫度曲線。

如圖4所示，為“iWater”溫控系統(tǒng)的工程文件目錄，其中CORE，F(xiàn)WLIB直接來源于ST官方固件庫，USER，HARDWARE涉及本文個性化內(nèi)容。

2.2 控制算法

PID控制是在工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制算法，具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、調(diào)整方便等突出優(yōu)勢。PID綜合偏差的現(xiàn)狀、歷史、變化趨勢，給出控制量。在數(shù)字式應(yīng)用中，往往采用增量式PID控制[2, 9, 17]：

Δu(k)=KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

其中，KP，KI，KD依次為比例、積分、微分增益；Δu(k)和Δe(k)分別為k時刻相對于k-1時刻的控制增量和偏差增量。

圖4 “iWater”溫控系統(tǒng)的工程文件架構(gòu)

為克服純線性PID控制的不足，本文設(shè)計了Bang- Bang與PID相結(jié)合的分段式控制算法：將實際溫度與設(shè)定溫度的偏差分為3個區(qū)間，當(dāng)溫度低于下限時，水泵停機(jī)；溫度高于上限時，水泵全開；溫度處于設(shè)定值附近時，采取PID策略。

2.3 實時繪圖算法

本文采用基于數(shù)組的動態(tài)繪圖算法。由于TFT-LCD屏幕可顯示235個點，故開辟一個2倍大小的數(shù)組(含470個單元)。不“搬移”數(shù)據(jù)，而是直接改變數(shù)組中的單元序號，實現(xiàn)溫度曲線的實時繪制。因STM32具有豐富的閃存資源(512 KB)，故上述以內(nèi)存換效率的方案是比較合理可行的。

3 樣機(jī)制作與測試結(jié)果

為確保實驗的穩(wěn)定與可重復(fù)運行，并提高實驗的展示度，定制丙烯酸塑料(俗稱“亞克力”)材質(zhì)的透明箱，可靠固定水冷式溫控系統(tǒng)。樣機(jī)外觀見圖5，主要參數(shù)如下：規(guī)格350 mm×250 mm×200 mm,凈重1.95 kg,箱體材料為丙烯酸塑料(亞克力)，控制器為基于STM32F103RCT6的開發(fā)板，電動機(jī)驅(qū)動為基于L298N的雙橋驅(qū)動板，水冷機(jī)為BigWater 760 Pro，直流電源為基于LM2596S的電源模塊，傳感器為DS18B20，遙控器為HS0038，顯示屏為TFT-LCD。

由于該水冷儀器有風(fēng)扇裝置，當(dāng)其固定于實驗箱內(nèi)時，需特別考慮排氣問題。因此在實驗箱底部四周安裝銅柱，使得底板騰空，在亞克力板上靠近風(fēng)扇的部分打孔，以此保證了氣流的順利排出。

圖6(a)為采用單一比例控制(P)時的階躍響應(yīng)曲線。依次設(shè)定溫度為40 ℃，41 ℃，45 ℃，50 ℃，可見系統(tǒng)響應(yīng)始終有靜差，且隨著設(shè)定溫度的提高，靜差越來越大，振蕩也越發(fā)加劇。

圖5 “iWater”溫控系統(tǒng)樣機(jī)及功能測試

圖6(b)為采用分段式PID控制時的階躍響應(yīng)曲線。依次設(shè)定溫度為40 ℃，42 ℃，45 ℃。在圖中所示區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)響應(yīng)均已消除靜差，且由于引入了微分環(huán)節(jié)，振幅明顯減小，但頻率提高。

(a) 單一P控制

(b) 分段PID控制

測試結(jié)果顯示，該樣機(jī)作為一套用于實驗教學(xué)的溫控系統(tǒng)，可方便地調(diào)整策略、參數(shù)，直觀地觀察、分析實驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了一套具有人機(jī)交互功能的溫控實驗系統(tǒng)“iWater”。在反饋閉環(huán)中，PTC陶瓷片作為溫控對象，STM32為控制器，DS18B20作為溫度傳感器，BigWater-760Pro型水冷機(jī)及驅(qū)動電路作為執(zhí)行器。控制策略采用分段式PID算法。參數(shù)設(shè)定采用紅外遙控方式；溫度數(shù)據(jù)采用TFT-LCD屏現(xiàn)場顯示和上位機(jī)VisualScope界面兩種顯示方式。樣機(jī)制作及實驗結(jié)果驗證系統(tǒng)的有效性。

“iWater”系統(tǒng)綜合運用了自動控制、傳感檢測、直流調(diào)速、計算機(jī)編程、嵌入式開發(fā)等軟硬件知識與技能，具有綜合性；選用CPU水冷機(jī)作為執(zhí)行裝置，構(gòu)成散熱控制型溫控系統(tǒng)，具有新穎性；可結(jié)合先進(jìn)的信息與人機(jī)交互技術(shù)，具有豐富的可擴(kuò)展性。利用該實驗系統(tǒng)還開展教研探索：給學(xué)生更加充分的時間，展開課內(nèi)外一體化的分組研討和科技創(chuàng)新，教師則扮演參與討論、啟發(fā)思考、規(guī)范實驗過程的角色，實現(xiàn)了學(xué)生主導(dǎo)、教師引導(dǎo)的新型教學(xué)模式。

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Development of a Water-cooled Temperature Control Experimental System with Human-Machine Interaction

XUZhiyu1,WUZhiliang2,YUYouling1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Lehrstuhl für Steuerungs- und Regelungstechnik, Technische Universit?t München, Munich 80333, Germany)

The water-cooling unit is a device which utilizes water-circulation to accelerate the cooling process of CPU. This paper develops the “iWater” experimental system, and applies it to control temperature and realize real-time human-machine interaction. The closed-loop control mechanism is utilized. PTC ceramic plays the role of heat source; DS18B20 digital thermometer provides temperature feedback; STM32 MCU performs PID strategy and generates PWM command to H-bridge driver. Since the speed of water-cooling unit is controlled by applying a variable voltage, the temperature is regulated as constant. Multiple functions of human-machine interface are integrated. The infrared remote control is applied to set temperature reference, control strategy, and various parameters. TFT-LCD is adopted for on-spot display of temperature waveforms. The experimental data are transmitted via the USART channel, and the temperature trajectory is plotted in the VisualScope of host computer. A prototype is developed and test results validate the effectiveness of this “iWater” experimental system.

water-cooling unit; temperature control; human-machine-interaction (HMI); experimental education system

2016-09-18

國家自然科學(xué)基金(71401125)；上海市重點課程建設(shè)項目(滬教工委高(2015)29號文)；同濟(jì)大學(xué)第11期實驗教改項目(JJSHBC-2015JPSY-018);同濟(jì)大學(xué)第8期精品實驗項目同濟(jì)實(〔2015〕4號)

徐志宇(1982-)，男，山西太原人，高級工程師，從事智能自動化應(yīng)用研究。

Tel.: 021-69584663； E-mail:xuzhiyu@#edu.cn

余有靈(1973-)，男，重慶人，副教授，從事智能控制理論及應(yīng)用研究。Tel.: 021-69585441； E-mail:yuyouling@#edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)05-0053-04