STM32溫度閉環(huán)控制

1、自動(dòng)化綜合實(shí)踐報(bào)告一、設(shè)計(jì)項(xiàng)目簡(jiǎn)介1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介在人們的生產(chǎn)生活中，溫度扮演著極其重要的角色。特別是在冶金、醫(yī)藥、食品制造和化學(xué)制造業(yè)等行業(yè)尤其顯得重要，在適當(dāng)?shù)臏囟认律a(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和合格率會(huì)大大的提高。隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中對(duì)于溫度的要求會(huì)越來越高，因此能夠檢測(cè)溫度變化的溫度檢測(cè)設(shè)備出現(xiàn)在人們的視線中。恒溫控制系統(tǒng)應(yīng)用于各種工業(yè)或者民用領(lǐng)域，如何精確地控制溫度成為一個(gè)非常重要的研究問題。本系統(tǒng)需要利用STM32來控制各器件的工作情況，使傳感器維持在一個(gè)固定的溫度上。本文所研究的課題是基于嵌入式的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。溫度控制部分，提

2、出了用DHT11、STM32F103ZET6和LCD的硬件電路完成對(duì)室溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，利用DHT11與嵌入式系統(tǒng)連接由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱片和散熱風(fēng)扇的實(shí)時(shí)控制。從DHT11讀出或?qū)懭隓HT11信息僅需要一根數(shù)據(jù)線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)線，該總線本身也可以向所掛接的DHT11提供電源，不需要額外電源。DC5V散熱風(fēng)扇的實(shí)時(shí)控制也僅僅需要一根口線，由開發(fā)板供電，不需要外加電源。而且本次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)，超溫報(bào)警，溫度控制，超過設(shè)定的門限值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱和散熱裝置等功能。而且還要以STM32開發(fā)板為主機(jī)，使溫度傳感器通過一根信號(hào)線與嵌入式開發(fā)板相連接，再加上溫度控制

3、部分和人機(jī)交互部分來共同實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)與控制。1.2 實(shí)現(xiàn)的功能(1) 能夠連續(xù)測(cè)量環(huán)境的溫度值，用LCD屏幕來顯示環(huán)境的實(shí)際溫度。(2) 能夠設(shè)定恒溫的溫度范圍，初始范圍是29°C。(3) 能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自動(dòng)控制，如果設(shè)定溫度在30C33C，則能使溫度保持恒定在30C33C。(4) 使用嵌入式STM32F103ZET6控制，通過按鍵來選擇LCD屏顯示的個(gè)人信息界面和溫度控制界面，通過程序輸入來控制恒溫范圍的設(shè)定值，數(shù)值采用LCD屏幕顯示,并且能夠?qū)崟r(shí)顯示降溫風(fēng)扇的輸出特性曲線。(5) 溫度超出范圍時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)降溫風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒溫控制的目標(biāo)。二、總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)主

4、要由STM32單片機(jī)系統(tǒng)模塊，溫濕度采集模塊、顯示模塊和鍵盤模塊，降溫模塊等構(gòu)成，以STM32F103ZET6芯片作為核心處理器。主要完成的功能有以下幾點(diǎn)：對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)采集、可按照指令改變控制參數(shù)、檢測(cè)的溫度顯示出來，通過PID控制算法保持設(shè)定溫度的恒定，溫度出現(xiàn)偏差時(shí)可通過降溫風(fēng)扇實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并將輸出特性顯示在LCD屏上。2.2 系統(tǒng)方案論證電路總體可以分為溫度采集模塊、單片機(jī)STM32最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊以及顯示模塊等。以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制電路，傳感器采集溫濕度作為STM32的輸入,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、TFTLCD2.8寸液晶屏，以及按鍵模塊作為STM3

5、2的輸出。采集溫度方面由DHT11溫度傳感器來完成，它是一個(gè)數(shù)字溫度傳感器、內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)相連接。而TFTLCD2.8寸液晶顯示屏是插針式，也可以直接與單片機(jī)相連接。通過DHT11傳感器采集當(dāng)前的溫濕度值、經(jīng)單片機(jī)將其處理后的數(shù)據(jù)送到TFTLCD液晶顯示屏來進(jìn)行顯示，主要顯示測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定的溫度上下限。利用鍵盤設(shè)置溫度閾值，如果當(dāng)前采集的實(shí)時(shí)溫度不在設(shè)定的溫度閾值范圍之內(nèi)，則由STM32單片機(jī)發(fā)出指令來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使電機(jī)正常工作來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度控制。2.3 系統(tǒng)功能框圖按照系統(tǒng)能的具體要求，在保證實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)上，盡可能降低系統(tǒng)成本?？傮w設(shè)計(jì)方案圍繞上述思想，初步確定

6、系統(tǒng)的方案如圖1.1所示圖1.1功能模塊框圖三、硬件設(shè)計(jì)3.1控制芯片選擇方案一：選用STM32F103ZET6單片機(jī)該單片機(jī)有144個(gè)引腳，為32微處理器M3內(nèi)核，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MZhz，處理速度快，效率高。其內(nèi)部有8個(gè)定時(shí)器，內(nèi)個(gè)能輸出4路PWM波，且有六個(gè)能能配置4個(gè)通道的捕獲。同時(shí)內(nèi)部還有多路AD、DA等，配置有SPI、I2C接口等，內(nèi)部資源極為豐富，用該處理器為設(shè)計(jì)帶來很大方便5。方案二：選用STM32F103RCT6單片機(jī)該單片機(jī)有64個(gè)引腳，跟上述的STM32ZET6功能極為相似，同樣也有多路PWM、輸入捕獲、AD、DA，配有SPI、I2C等接口，內(nèi)部資源較為豐富。但是相

7、比STM32ZET6，該單片機(jī)體積小，引腳少。內(nèi)部只有四個(gè)定時(shí)器（定時(shí)器1到定時(shí)器4），不過都具有計(jì)數(shù)、產(chǎn)生PWM波及輸入捕獲功能。選用方案一3.2DHT11溫濕度傳感器原理圖DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)

8、信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。其原理應(yīng)用如圖所示3.3 LCD液晶顯示屏TFT-LCD又叫做薄膜晶體管液晶顯示器，其管腳圖如上，其管腳在STM32F103中有相應(yīng)的管腳對(duì)應(yīng)。常用的液晶屏接口很多種，8位、9位、16位、18位都有。而常用的通信模式呢，主要有6800模式和8080模式兩種，今天呢，我們來講的是8080模式。如果大家接觸過LCD1602或者LCD12864等，那么就會(huì)發(fā)

9、現(xiàn)8080模式的時(shí)序呢，其實(shí)跟LCD1602或者LCD12864的讀寫時(shí)序是差不多的。8080接口有5條基本的控制線和多條數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線的數(shù)量主要看液晶屏使用的是幾位模式，有8根、9根、16根、18根四種類型。3.4PID過程控制部分在檢測(cè)過程中，由于來自外界的各種干擾不斷產(chǎn)生，為了達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象保持恒定的目的，就必須不斷的進(jìn)行控制。如果干擾使得控制對(duì)象發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件會(huì)將這調(diào)節(jié)器會(huì)按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去控制調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨于給定值，達(dá)到控制目的。將溫度傳感器輸入作為當(dāng)前輸入，與設(shè)定值相減得到偏差，然后再對(duì)它進(jìn)行PI

10、D運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果fout,fout的值決定是否加熱，加熱時(shí)間是多少，進(jìn)而控制加熱器。圖4.1PID控制流程圖比例控制是在設(shè)計(jì)過程中最常用到的一種手段，但是很多控制對(duì)象都存在著滯后性，這會(huì)嚴(yán)重影響比例控制的控制效果。比如我們?cè)O(shè)定溫度為70度，當(dāng)我們只使用比例控制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際溫度在70度上下一定范圍內(nèi)振蕩的情況。所以我們?cè)诒壤刂频幕A(chǔ)上加入了積分控制，積分控制的存在能幫助我們消除靜態(tài)誤差，達(dá)到準(zhǔn)確的控制溫度的目的。但與此同時(shí)它也帶來了一些負(fù)面的影響，會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。所以我們又加入了微分項(xiàng)，主要用來解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度的問題，其完整的公式如下：u(t)=Kp*e(t)+K憶e(t

11、)+Kde(t)一e(t-1)+u°在PID的調(diào)試過程中我們需要主意幾個(gè)步驟：首先關(guān)閉I和D,就是說將他們?cè)O(shè)定為0。然后加大P,使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；再減小P,找到振蕩的臨界點(diǎn)；接著加大I,使他達(dá)到目標(biāo)值；注意看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否符合要求；針對(duì)他們的情況可以適當(dāng)?shù)脑黾右恍┪⒎猪?xiàng)；為了保證在全工作范圍內(nèi)調(diào)試完的結(jié)果都有效,我們應(yīng)當(dāng)在最大負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)試。11四、軟件設(shè)計(jì)4.1整體程序設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路來實(shí)現(xiàn),如果硬件電路已經(jīng)確定,軟件的功能也就基本上確定了，因?yàn)檐浖绦虻木幾g是基于STM32單片機(jī)編程。軟件部分可分為主程序和子程序,主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核

12、心,用于調(diào)節(jié)和處理各模塊之間的關(guān)系2。子程序是各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的功能，其主要子程序包括：溫度采集、鍵盤掃描、LCD顯示等。開站栓浜Its謔是舌按下呂度是舌在設(shè)走闌僅范百度是舌在設(shè)走餌僅范結(jié)束啟動(dòng)電機(jī)按罡掃捕罷統(tǒng)初站化LCDrS竜錄/J、DSiaB23g<5.$數(shù)捋首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，即首先向在Stm32控制器中配制寄存器和I/O口,建立系統(tǒng)任務(wù)、測(cè)量任務(wù)及控制任務(wù)，并在啟動(dòng)任務(wù)中初始化傳感器基礎(chǔ)配置。然后在任務(wù)中編寫用戶程序。用戶程序設(shè)計(jì)如下:將接DHT11讀到的數(shù)據(jù)通過STM32的輸入捕獲模式得到該數(shù)據(jù)，送到TFTLCD液晶顯示屏來進(jìn)行顯示，主要顯示測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度。然后首先判斷按

13、鍵是否按下，如果未按下按鍵則返回按鍵掃描，否則再進(jìn)一步判斷所測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)溫度是否在室內(nèi)溫度設(shè)定的閾值范圍內(nèi)。如果沒有在室內(nèi)溫度設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，則需要啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來啟動(dòng)電機(jī)，通過熱冷客氣對(duì)流來平衡溫差，直到室內(nèi)溫度達(dá)到室內(nèi)溫度設(shè)定的閾值范圍的要求4，.最2后溫結(jié)度束采主程集序子。程主程序序流程如圖3.1所示溫度采集子程序就是驅(qū)動(dòng)外部的溫度傳感器DHT進(jìn)行工作，通過I/O口通信方式向STM32單片機(jī)中寫入數(shù)據(jù)，并且送到TFTLCD液晶顯示屏來進(jìn)行顯示。首先進(jìn)行I/O口初始化，然后是復(fù)位DHT11使其恢復(fù)初始狀態(tài)等待DHT11響應(yīng)。將DS18B20讀到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并且寫入DHT1

14、1單片機(jī)，最后結(jié)束子程序。配置程序流程圖如圖3.2所示3.3顯示子程序在該系統(tǒng)中使用TFTLCD液晶顯示屏來顯示DS18B20所采集的當(dāng)前溫度值。顯示子程序程序設(shè)計(jì)如下：首先進(jìn)行LCD初始化，即向TFTLCD配制寄存器,包括寫寄存器函數(shù)、LCD寫GRAM命令，建立LCD光標(biāo)位置、掃描方式、顯示方向、顯示顏色等，并在啟動(dòng)LCD初始化寄存器基礎(chǔ)配置，然后通過STM32單片機(jī)向LCD寫數(shù)據(jù)，并使LCD寄存器讀出數(shù)據(jù)顯示字符串，結(jié)束顯示子程序。子程序流程圖如圖3.3所示。圖3.3顯示程序框圖五、部分核心程序5.1主函數(shù)設(shè)計(jì)5.2DHT11讀取溫度uSDHTU_ReadTAndH(u8*t,uB*h)9

15、u8state=O:u8rxdata5:j;/i.k"發(fā)注開始信號(hào)/LlDHT11配畫輸岀樟式DHTll_ImtInAndOut(L);輸岀'18ms的低電平+2040usJ電平DHT11._HL(h):DelaymsL8):DHTUHL；"2.DHT11發(fā)送應(yīng)苔信號(hào)(MCU接收)DHTll_InitInAndOut(0)輸入模式wtiile7DHTll_RDO)：/等待應(yīng)笞信號(hào)(低電平)while(!DHT11EDO)7/等待應(yīng)答信號(hào)(高電平)/3.DHT11發(fā)送40位數(shù)據(jù)JTU接收)for(i-0;i<5;i卄)3for(j=u；j<Ei;j+-F)

16、3while(DHT11_RD0);/等待信號(hào)(拉低)whileC!DHT11_RD0)7/待信號(hào)(拉高)Delays(30):rxiiatai«=!;if(DHTll_RDO)rxdataji+：/兒判斷校驗(yàn)和正確：1錯(cuò)誤：Dif(rxdsta4=rxdsta0-l-rxdata2)*t=rxdata2;*h=txdataio:卜state=1:elsestate=0;returnEtateF六、收獲及體會(huì)在本次的設(shè)計(jì)中，首先要感謝吳老師的指導(dǎo)，使我所學(xué)的理論知識(shí)接受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，增強(qiáng)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力及動(dòng)手的能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了很好的基礎(chǔ)。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了

17、許多，在一定的程度上增強(qiáng)了我們的單獨(dú)動(dòng)手能力，提高了我們思維的寬度還豐富了我們的專業(yè)知識(shí)。雖然完成設(shè)計(jì)的過程是十分辛苦的，但是我們同時(shí)也深刻的了解到了工作的不易，并且經(jīng)過了不斷的努力后終于完成設(shè)計(jì)的那種滿足感無以言表。我們相信經(jīng)過這樣的一個(gè)歷程，在以后的日子里我們會(huì)在工作中做得更好。我們所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的PID溫度控制系統(tǒng)本著節(jié)能環(huán)保的要求，順應(yīng)國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，使用了自動(dòng)化的設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的自動(dòng)檢測(cè)與控制。我相信在不久的將來溫度控制系統(tǒng)肯定會(huì)廣泛地應(yīng)用在我們的日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這將會(huì)對(duì)提高企業(yè)自動(dòng)化水平、降低生產(chǎn)成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生活質(zhì)量等方面起到積極的促進(jìn)作用，讓溫