【电子竞赛预热赛】+自动恒温控制系统的实现

只看该作者 · 2017-11-7 13:07

（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。

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

void GPIO_Configuration(void) 

{ 

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOC, ENABLE);  

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

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; 

    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; 

    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; 

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; 

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; 

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 

}

对应的初始化程序为：

复制

void LCD_Init(void)

{

        SetLCD_RST_Low();    

        delay_1us();

        SetLCD_RST_High();    

        delay_1us();

        delay_1us();

        LCD_write_CMD(0x21);

        LCD_write_CMD(0xc0);

        LCD_write_CMD(0x06);

        LCD_write_CMD(0x13);

        LCD_write_CMD(0x20);

        LCD_Clear();           

        LCD_write_CMD(0x0c);        

}

实现初始显示界面的语句如下：

复制

         GPIO_Configuration();        

         GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_9, Bit_SET);

         LCD_Init();

         LCD_Clear();

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

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

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

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

         LCD_set_XY(42,2);

         LCD_write_char(i+0x30);

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

void Key_IN(void)

{

     RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);  

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

     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN;

     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP; 

     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

}

实现上下限设置的程序如下：

复制

      f==2;

      while(f)

          {

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

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

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

                        {

                                i--;

                        }

                                

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

                        {

                                        if(f==1)  

                                        {

                                                x2=i;

                                                f=0;

                                        }

                                        

                                        if(f==2)  

                                        {

                                                x1=i;

                                                i=0;

                                                f=1;

                                                LCD_set_XY(42,3);

                                        }

                                }

                                

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

                                {

                                        i++;

                                }

                                

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

                                {

                                       i=i*10;

                                }

                                LCD_write_char(i/1000+0x30);

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

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

                                LCD_write_char('.');

                                LCD_write_char(i%10+0x30);

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

                                {

                                   Delay(60000);

                                }

                  }

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

void DS18B20_IO_IN(void)

{

     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 

     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_4 ;

     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN;

     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;

     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;

     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

}

void DS18B20_IO_OUT(void)

{

     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  

     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_4 ;//4

     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT;

     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;

     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

}

实现温度检测与控制的程序如下：

复制

while (1)  

        { 

                   DS18B20_Convert();

                   tempL = DS18B20_Read_Byte(); // LSB   

                   tempH = DS18B20_Read_Byte(); // MSB  

                   j=tempH*16+tempL/16;

                   LCD_set_XY(42,4);

                   LCD_write_char(j/100+0x30);

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

                   LCD_write_char(j%10+0x30);

                   LCD_write_char('.');

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

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

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

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

                  Delay(5000);        

      }

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4 温度模拟控制

1万 · 2017-11-15 15:47

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

只看该作者 · 2017-11-16 08:41

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。。。

只看该作者 · 2017-11-19 13:47

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。

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。

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3 电加热管

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. 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

Uart_Init();

While(1)

{

...

DS18B20_Convert();

        tempL = DS18B20_Read_Byte(); // LSB   

        tempH = DS18B20_Read_Byte(); // MSB  

        j=tempH*16+tempL/16;

        Uart_Put_Char(j/100+'0');

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

        Uart_Put_Char(j%10+'0');

        Uart_Put_Char('.');

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

        Uart_Put_Char(0x0d);

        Uart_Put_Char(0x0a);

}

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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