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【电子竞赛预热赛】+自动恒温控制系统的实现

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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-7 13:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
恒温控制系统, 电子, 温度, 元件, 温度检测
（一）方案的规划
面对该项目的实施，首先要有一个有效的规划并分析出设计的关键问题。
通过对基础功能的要求，可以看出这当中有3个关键点，即：
1）温度检测元件的选取及功能实现
温度检测元件有多种，如工业控制上所用的温度传感器PT100、供环境检测的温湿度传感器DHT11、单总线数字式温度检测元件DS18B20等。
相对来讲，PT100的温度检测范围比较宽，可达300度甚至更高，到它在使用时需进行相应的线性化处理；对于DHT11来讲，它既可以检测温度，又能检测湿度，用起来比较实惠，但其温度检测范围相对比较窄，基本在0~50度左右；经比较还是选取DS18B20为好，其温度检测范围和检测精度均能满足需要。
2）加热器件的选择及控制算法的选择
在温度检测元件可满足要求后，就是选取何种加热元件来提升温度，常规加热元件是电阻丝或加热棒，由于加热器件具有一定的滞后性，因此在控制时对控制元件和控制算法也产生相应的要求。最廉价的控制元件是继电器，但频繁的开关对其触点的寿命会有较大的损伤；使用固态继电器的话，将有利于使用PWM调节，但价格相对较高。因此需要在实际应用中去综合权衡，在控制精度有效的情况下，则需引入PID调节或模糊控制算法，这将导致复杂度的提升。
3）上位的开发工具选择及功能实现
由于涉及到上机的功能实现，所以通讯功能是必不可少的，其次就是对开发工具的选择。
从功能的要求看，宜采用VB或LABVIEW等软件来开发，这样易于进行温度变化曲线的绘制。
（二）下位机的功能实现
下位机的硬件构成，主要包括温度检测、数据处理、数值显示、温度控制等环节，其构成图如图1所示。
360截图16251123427348.jpg

相关元件的选取如下：
1. 液晶显示屏选取LCD5110
2. 单片机选STM32F030
3. 温度传感器选DS18B20，其中一个用于外部环境检测，另一个用于恒温器内部检测。
4. 串行通讯采用TTL转USB串行通讯模块 / 虚拟串口
5. 按键选取4键位软按键
6. 加热器选~220V电加热棒
7. 控制器视控制精度选取光隔继电器或固态继电器

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21ic小喇叭 打赏了 100.00 元 2017-12-18
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21ic小喇叭 发表于 2017-11-7 13:10 | 显示全部楼层
顶你上热门，期待后续更新哦~
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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-7 13:59 | 显示全部楼层
21ic小喇叭 发表于 2017-11-7 13:10
顶你上热门，期待后续更新哦~

继续努力！！！
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修一明 发表于 2017-11-7 14:53 | 显示全部楼层
加油，看好楼主
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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-7 17:38 | 显示全部楼层
修一明 发表于 2017-11-7 14:53
加油，看好楼主

多谢鼓励与支持！！！
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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-8 09:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 jinglixixi 于 2017-11-19 14:01 编辑

自动恒温控制系统的实现 (2)
  
下位机的开发平台选取KEIL V4.0，并由C51编程来实现功能要求。

相关的功能程序如下：
1. 液晶屏显示程序
2. 参数设置程序
3. 温度检测与控制程序
4. 串行通讯程序

液晶屏的连接与显示程序
        LCD5110为3.3V的显示器件，并以SPI的通讯方式来进行控制，为节省管脚，直接将CS引脚以GND相连，其信号引脚的连接情况如下：
       SCLK--PC.3
       DIN --PC.2
       DC  --PC.1
       RST --PC.0
    此外，可以将用背光引脚与一个GPIO口相连以控制背光的亮灭。

    定义LCD5110信号引脚输出高低电平的语句如下：
       #define SetLCD_SCLK_High()         { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_3, Bit_SET);}
       #define SetLCD_SCLK_Low()          { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_3, Bit_RESET);}

       #define SetLCD_SDIN_High()          { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_2, Bit_SET);}
       #define SetLCD_SDIN_Low()          { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_2, Bit_RESET);}

       #define SetLCD_DC_High()            { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_1, Bit_SET);}
       #define SetLCD_DC_Low()             { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_1, Bit_RESET);}

       #define SetLCD_RST_High()           { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_0, Bit_SET);}
       #define SetLCD_RST_Low()           { GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_0, Bit_RESET);}

        配置相应引脚的函数如下：
复制
  1. void GPIO_Configuration(void) 
    

  2. { 
    

  3.     RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOC, ENABLE);  
    

  4.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_0;    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; 
    

  5.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; 
    

  6.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; 
    

  7.     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
    

  8.     RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);  
    

  9.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; 
    

  10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; 
    

  11.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; 
    

  12.     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 
    

  13. }
      对应的初始化程序为：
复制
  1. void LCD_Init(void)
    

  2. {
    

  3.         SetLCD_RST_Low();    
    

  4.         delay_1us();
    

  5.         SetLCD_RST_High();    
    

  6.         delay_1us();
    

  7.         delay_1us();
    

  8.         LCD_write_CMD(0x21);
    

  9.         LCD_write_CMD(0xc0);
    

  10.         LCD_write_CMD(0x06);
    

  11.         LCD_write_CMD(0x13);
    

  12.         LCD_write_CMD(0x20);
    

  13.         LCD_Clear();           
    

  14.         LCD_write_CMD(0x0c);        
    

  15. }
         实现初始显示界面的语句如下：
复制
  1.          GPIO_Configuration();        
    

  2.          GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_9, Bit_SET);
    

  3.          LCD_Init();
    

  4.          LCD_Clear();
    

  5.          LCD_write_english_string(0,0,"nokia5110 v1.0");
    

  6.          LCD_write_english_string(0,2,"x1= ");
    

  7.          LCD_write_english_string(0,3,"x2= ");
    

  8.          LCD_write_english_string(0,4,"temp= ");
    

  9.          LCD_set_XY(42,2);
    

  10.          LCD_write_char(i+0x30);
    


  11.
        其界面效果如图2所示，由于当前温度低于温度下限，故加热器应开启以蓝色LED指示。
图片1.png
图2 界面显示效果

参数设置及程序
       参数设置在温控系统中是十分重要的，否则温控器只能对某个固定温度区域进行控制。
为简化设计，这里是采用软按键来进行参数设置，它共有4个键，分别对应+1、-1、移位和确认处理。
       4个键位分别与PB2、PB10、PB11、PB12相连，其引脚配置函数如下：
复制
  1. void Key_IN(void)
    

  2. {
    

  3.      RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);  
    

  4.      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
    

  5.      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN;
    

  6.      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    

  7.      GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP; 
    

  8.      GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    

  9. }
          实现上下限设置的程序如下：
复制
  1.       f==2;
    

  2.       while(f)
    

  3.           {
    

  4.                         if(f==2) LCD_set_XY(42,2);
    

  5.                         if(f==1) LCD_set_XY(42,3);
    

  6.                         if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12)==0)
    

  7.                         {
    

  8.                                 i--;
    

  9.                         }
    

  10.                                 
    

  11.                         if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_10)==0)  //  确认键
    

  12.                         {
    

  13.                                         if(f==1)  
    

  14.                                         {
    

  15.                                                 x2=i;
    

  16.                                                 f=0;
    

  17.                                         }
    

  18.                                         
    

  19.                                         if(f==2)  
    

  20.                                         {
    

  21.                                                 x1=i;
    

  22.                                                 i=0;
    

  23.                                                 f=1;
    

  24.                                                 LCD_set_XY(42,3);
    

  25.                                         }
    

  26.                                 }
    

  27.                                 
    

  28.                                 if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11)==0)
    

  29.                                 {
    

  30.                                         i++;
    

  31.                                 }
    

  32.                                 
    

  33.                                 if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_2)==0)
    

  34.                                 {
    

  35.                                        i=i*10;
    

  36.                                 }
    

  37.                                 LCD_write_char(i/1000+0x30);
    

  38.                                 LCD_write_char(i%1000/100+0x30);
    

  39.                                 LCD_write_char(i%100/10+0x30);
    

  40.                                 LCD_write_char('.');
    

  41.                                 LCD_write_char(i%10+0x30);
    

  42.                                 for(k=0;k<20;k++)
    

  43.                                 {
    

  44.                                    Delay(60000);
    

  45.                                 }
    

  46.                   }
温度检测与控制
      DS18B20是一种使用广泛的单总线器件，其实它还有一种防水型的封装形式，如图3所示。由于手头没有就暂时用塑料封装的吧。
图片2.png
图3 防水型DS18B20

     与DS18B20相连的引脚是PC4，由于该温度传感器只有一条数据引脚，故分时进行输入和输出处理，其相应的引脚配置函数如下：
复制
  1. void DS18B20_IO_IN(void)
    

  2. {
    

  3.      GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 
    

  4.      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_4 ;
    

  5.      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN;
    

  6.      GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;
    

  7.      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    

  8.      GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  9.      GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    

  10. }
    

  11. void DS18B20_IO_OUT(void)
    

  12. {
    

  13.      GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
    

  14.      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_4 ;//4
    

  15.      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT;
    

  16.      GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    

  17.      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    

  18.      GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  19.      GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    

  20. }
         实现温度检测与控制的程序如下：
复制
  1. while (1)  
    

  2.         { 
    

  3.                    DS18B20_Convert();
    

  4.                    tempL = DS18B20_Read_Byte(); // LSB   
    

  5.                    tempH = DS18B20_Read_Byte(); // MSB  
    

  6.                    j=tempH*16+tempL/16;
    

  7.                    LCD_set_XY(42,4);
    

  8.                    LCD_write_char(j/100+0x30);
    

  9.                    LCD_write_char(j%100/10+0x30);
    

  10.                    LCD_write_char(j%10+0x30);
    

  11.                    LCD_write_char('.');
    

  12.                    LCD_write_char((tempL%16)*10/16+0x30);
    

  13.                    i=j*10+(tempL%16)*10/16;
    

  14.                    if(i>=x1) GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_8, Bit_RESET);
    

  15.                    if(i<=x2) GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_8, Bit_SET);
    

  16.                   Delay(5000);        
    

  17.       }        
    由于手头的电加热棒还未找到，目前只以指示灯来模拟继电器的工作状态变化，后续再将继电器和加热棒接上验证一下控制效果。图4为温度超过上限，关闭加热器即关闭蓝色LED。通过模拟验证可发现，检测与反应的精度可达0.1度，要想达到控制的高精度就要看控制算法了。

       此外，为了上传数据来绘制波形图，还需提交串行通讯的功能，并为指令的发送提供支持。
图片3.png
图4 温度模拟控制


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caijie001 发表于 2017-11-15 15:47 | 显示全部楼层
不错啊，可以做完整点，包括加热降温的空间。然后在上位机看到温度信息。。。等等期待完成
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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-16 08:41 | 显示全部楼层
正在最温度的控制精度检测，上位机是用LABVIEW绘制曲线，发现没有串口驱动还在下载测试。。。
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 楼主| jinglixixi 发表于 2017-11-19 13:47 | 显示全部楼层

自动恒温控制系统的实现 (3)

本帖最后由 jinglixixi 于 2017-11-19 14:02 编辑

前面已经实现了温度的模拟测控，这次又购置了些器件，做了进一步的完善，主要体现在以下几个方面：
1.实现温度的双通道采集
为了满足环境温度检测与恒温控制的需要，在原设计的基础上又增添了一个温度温度传感器，并对显示界面进行了相应的修改，其变化如图1所示。
新增的温度传感器占用PC6，功能函数可通过复制的方法来实现，然后更改名称即可。
1.jpg

2.以固态继电器控制加热器
为了便于加热控制和增强控制器件的使用寿命，特购置了固态继电器来控制加热器，其连接方式如图2所示。经测试，使用GPIO口即可触发其工作，其输出端则可以直接接入~220V电路。固态继电器所占用的GPIO口为PC7。
2.jpg

3.加热器的选取
本来已购置了电加热管，收到后才发现其功率太大了，如图3所示，做实验实在是不安全，所以只好改用电烙铁为加热器，其线路如图4所示。
图片1.png
图3 电加热管

3.jpg

经实际检测，在不添加PID调节算法的情况下可达到+/-1.5度的控制要求，在设置上、下限后其控制效果如图5所示。其中X1为上限温度值，X2为下限温度值，temp为当前的控制温度，temp’为环境温度。由于没有配置保温箱的缘故，再停止加热后温度跌落的较快，故控制温度的上限偏差小，而控制温度的下限偏差稍大。如果时间允许，加入PID调节后精度会有一定提高，有望达到+/-0.5度的控制指标。
4.jpg

4. 串行通讯功能
串行通讯功能是通过USB转TTL来实现的，它与MCU的引脚连接连接为：
PA9  --USB_RXD
PA10 --USB_TXD
具体连接如图6所示
图片2.png
图6 通过虚拟串口进行串行通讯

实现串行通讯的程序如下：
复制
  1. Uart_Init();
    

  2. While(1)
    

  3. {
    

  4. ...
    

  5. DS18B20_Convert();
    

  6.         tempL = DS18B20_Read_Byte(); // LSB   
    

  7.         tempH = DS18B20_Read_Byte(); // MSB  
    

  8.         j=tempH*16+tempL/16;
    

  9.         Uart_Put_Char(j/100+'0');
    

  10.         Uart_Put_Char(j%100/10+'0');        
    

  11.         Uart_Put_Char(j%10+'0');
    

  12.         Uart_Put_Char('.');
    

  13.         Uart_Put_Char((tempL%16)*10/16+'0');
    

  14.         Uart_Put_Char(0x0d);
    

  15.         Uart_Put_Char(0x0a);
    

  16. }

图片3.png
图7 串行通讯接收数据

由于LabVIEW的通讯驱动尚未搞定，因此暂时还没有绘制出温度曲线及进行上下限的设置处理。
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