盧偉，占雪梅，李珊珊
（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 鄭州450052）
摘要：設(shè)計以ARM STM32F103作為系統(tǒng)控制核心，使用DS18B20測量溫度，以半導(dǎo)體制冷器件作為降溫設(shè)備，以PTC發(fā)熱片作為升溫設(shè)備，用LCD1602液晶進行顯示，實現(xiàn)對杯內(nèi)水溫的有效控制。通過反復(fù)驗證，該溫控系統(tǒng)具有操作簡單、精度較高、工作可靠和性價比高等特點。
關(guān)鍵詞：溫控；STM32；DS18B20
0引言
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，目前人們生活使用的水杯已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代人對于智能化生活的需求。因此，設(shè)計一款新穎、實用、操作簡單的智能溫控水杯很有必要。智能溫控杯可以通過LCD顯示杯內(nèi)的實時水溫，并根據(jù)個人需求有效地調(diào)節(jié)杯內(nèi)水溫，滿足人們的多樣化需求。智能溫控杯的設(shè)計主要分為兩部分，一部分是機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計：確定所需材料、構(gòu)型分布以及合理的執(zhí)行機構(gòu)等，保證智能溫控杯美觀、節(jié)能，并可高效地加熱和制冷；另一部分是控制系統(tǒng)的設(shè)計：實時顯示溫度、人機交互、有效控溫等。本文主要介紹智能溫控杯控制系統(tǒng)的設(shè)計［1］。
1系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)包括STM32F103主控板、DS18B20溫度傳感器、矩陣鍵盤、聲光報警電路、LCD1602液晶顯示屏、驅(qū)動電路、繼電器控制電路、半導(dǎo)體制冷片及PTC加熱片，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。
本系統(tǒng)采用防水型的DS18B20溫度傳感器采集杯內(nèi)水溫信息，并將采集到的水溫信息直接傳送給主控器STM32F103進行處理，主控器將采集回來的溫度信息與通過矩陣鍵盤預(yù)設(shè)的溫度信息進行對比，如果實際溫度值大于預(yù)設(shè)溫度值，則使用半導(dǎo)體制冷片進行制冷降溫，如果實際溫度值小于預(yù)設(shè)溫度值，則使用PTC加熱片進行加熱升溫，以達到有效控溫的目的。同時STM32F103將DS18B20采集回來的溫度信息在LCD1602液晶顯示屏上進行溫度變化的實時顯示［2］。
2硬件系統(tǒng)主要部件設(shè)計
2.1電源模塊設(shè)計
電源的設(shè)計關(guān)乎到整個系統(tǒng)是否能夠正常運行，一般STM32處理器系統(tǒng)的標準電壓是3.3 V，首先使用LM7805得到5 V電壓，再通過ASM1117電路得到3.3 V電壓。具體電路圖如圖2所示。
5 V電壓使用LM7805模塊實現(xiàn)，圖2中的電容主要功能是濾波。本次設(shè)計用AMS1117的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能提供穩(wěn)定的輸出電壓，在電源設(shè)計中AMS1117的作用是把外接5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的穩(wěn)定輸出電壓，偏差是±6%［3］。
2.2測溫電路設(shè)計
本系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度計DS18B20進行溫度的測量，DS18B20相比于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件，具有體積小、易處理等特點，只
需要進行簡單的配置就可以實現(xiàn)實時溫度采集。同時本次采用防水型的DS18B20，可以很好地進行水溫的測試，實現(xiàn)水溫的實時采集。DS18B20與STM32微處理器的連接方式非常簡單，具體電路圖如圖3所示。
2.3繼電器控制模塊
圖5智能溫控杯主程序流程圖控制系統(tǒng)對水杯進行升溫和降溫是通過控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)的，當實際溫度大于預(yù)設(shè)溫度值時，通過控制繼電器操作半導(dǎo)體制冷片進行制冷降溫；當實際溫度小于預(yù)設(shè)溫度值時，通過控制繼電器操作PTC加熱片進行加熱升溫。繼電器電路原理圖如圖4所示，繼電器的通斷由ARM STM32F103的GPIO口通過R1電阻與S8550三極管基極相連進行控制［4］。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1增量式PID算法
系統(tǒng)采用PID算法控制單片機輸出PWM的占空比從而控制半導(dǎo)體制冷片的功率，PID是比例控制（P）、積分控制（I）和微分控制（D）的簡稱。在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種自動控制器。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡單，結(jié)構(gòu)形式靈活?？刂泣c包含兩種PID控制算法，分別是增量式算法和位置式算法［5-6］。
智能溫控杯控制系統(tǒng)采用增量式PID算法進行恒溫控制，通過多次實驗，得到控制對象的一組控制系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)每隔一個采樣周期時間T，就將杯內(nèi)水溫與預(yù)先設(shè)定的溫度值進行比較，從而得出偏差e(k)，然后將所得到的偏差值代入增量式PID公式進行PID運算。增量式PID計算公式：
此公式?jīng)Q定PWM方波的占空比，可得到相應(yīng)的高電平持續(xù)時間，當杯內(nèi)水溫與設(shè)定值差距較大時，加熱/制冷電路電流大，結(jié)果是使得杯內(nèi)水溫與設(shè)定值偏差越來越小，最終達到自動控制的目的。同時，本文采用分段式控溫的思想，當溫度偏差值大于10℃時，進行全速加熱或者降溫，當偏差值小于10℃時，再啟動PID進行控溫，這樣既保證了加熱/制冷效率，還節(jié)約了系統(tǒng)的功耗［1-6］。
3.2軟件設(shè)計主流程
系統(tǒng)在初始化階段設(shè)置期望溫度，初始化完畢后通過DS18B20溫度傳感器對杯內(nèi)水溫進行實時溫度采集，判斷采集到的溫度值與預(yù)設(shè)溫度之間的差值，利用增量式PID算法進行處理，控制繼電器加熱/制冷，同時在LCD1602液晶顯示屏上進行溫度的實時顯示［7］。主程序流程圖如圖5所示。
4系統(tǒng)測試及分析
測試時實驗室溫度為25℃。將智能溫控杯組裝完畢后，將杯中置滿水，初始測得水溫為20.1℃。選定從60℃~-5℃之間的數(shù)值進行測試。實驗過程中，鍵入指定數(shù)值進行測試，待LCD顯示數(shù)值穩(wěn)定，不再有較大波動時，記錄下LCD顯示溫度。記錄表格如表1所示［8］。
在測試溫控精度的同時，也對制冷/制熱效率進行了測試，杯內(nèi)水溫從20℃升溫至60℃只需要10 min，升溫速度比較快，升溫效率較高。將杯內(nèi)水溫從20℃降至5℃需要40 min，在降溫初期降溫速度比較慢，等溫度降低至一定程度后，降溫速度開始加快，降溫效率較低。通過改進智能溫控杯機械結(jié)構(gòu)可以進一步改善降溫效率［9-11］。
可以看出本系統(tǒng)能夠較精確地控制溫度，動態(tài)響應(yīng)好，超調(diào)量小。本系統(tǒng)基本達到了預(yù)期的設(shè)計目標，具有一定的實際應(yīng)用價值。
5結(jié)論
本文主要基于STM32設(shè)計了一款可對杯內(nèi)水溫進行實時快速有效控制的智能溫控系統(tǒng)。硬件上采用ARM STM32F103作為主控芯片，使電路結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)方便靈活，使用DS18B20溫度傳感器測試溫度，提高測量的精確度以及效率。采用PTC和半導(dǎo)體制冷片作為升溫和降溫設(shè)備，使溫度的穩(wěn)定性較高。軟件上采用增量式PID算法，并結(jié)合分段控溫思想，在節(jié)約系統(tǒng)功耗的同時，達到精確控溫的目的。最后對整個智能溫控系統(tǒng)進行測試與分析，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求，具有一定的實際應(yīng)用價值。
參考文獻
［1］ 王超. 基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的微型溫控箱研制［D］.西安:陜西師范大學(xué),2014.
?。?］ 王桔,洪梅.基于STM32單片機的恒溫箱系統(tǒng)設(shè)計［J］.長春大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015,25(4):13-16.
?。?］ 盧偉. 基于μTenux的智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.大連：大連交通大學(xué),2015.
?。?］ 胡斌,胡跟龍,孔祥梅.基于超低功耗單片機的智能飲水機系統(tǒng)設(shè)計［J］.新技術(shù)新工藝，2015(3):69-71.
?。?］ ASTROM J K WITTENMARK B.Computer controlled systems［M］.Prentice_Hall,1984.
?。?］ 張幼軍.UG CAD/CAM基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.
?。?］ 宗振海,王雅萍,陳智慧.基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設(shè)計［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(1):128-130.
?。?］ 王直,孫強.基于STM32的半導(dǎo)體制冷片控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2015,23(18):100-102.
?。?］ 陳永祿,張莉.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2015(2):73-76.
［10］ 陶興朋,王嬋,張錚.基于神經(jīng)元PID的溫濕度實驗箱設(shè)計與實現(xiàn)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015,30(2):37-41.
［11］ 姬志君. 基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的自動溫控箱的研究與設(shè)計［D］.保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.