以STM32為主控的溫度單反饋控制系統全面解析

設計選用STM32單片機作控制器，設計溫度單反饋的控制系統，對電加熱水器內水的溫度進行控制。通過PT100溫度傳感器實現對水溫信號的采集，并利用模擬量前向通道來對水溫信號進行處理。利用STM32單片機進行控制輸出PWM信號，用此信號控制接觸器進而控制電加熱水器的電源通斷，最終實現對水溫的控制。同時用組態軟件設計監控界面來實現對水溫的控制顯示。通過對此課題的設計，能夠使自動化的學生對工業過程控制對象具有更進一步的了解，同時熟練掌握自動化控制系統的設計流程，為以后的工作學習打下堅實基礎。

一、控制系統硬件設計

1、控制系統硬件總體設計

溫度是一個很重要的變量，需要對其進行準確地控制。溫度控制系統常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規定的規律變化。閉環控制是溫度控制系統中最為常見類型，本設計即為閉環溫度控制系統，閉環溫度控制方框圖如圖1所示。

溫度控制系統由被控對象、測量裝置、調節器和執行機構組成。測量裝置對被控電加熱水器中水溫進行測量，控制器將測量值與給定值進行比較，若存在偏差便由控制器對偏差信號進行處理，輸出控制信號給執行機構來啟動或停止電加熱水器工作，最終將溫度調節到設定值。被控對象是電加熱水器內水的溫度。

基于上述理論設計出本控制系統，本系統硬件主要有：STM32單片機、PT100溫度傳感器、開關電源、模擬量前向通道、繼電器輸出模塊、HH52P型固態繼電器、CJ20-10型接觸器、電加熱水器，控制系統硬件結構圖如圖2所示。

2、STM32單片機介紹

STM32單片機是整個溫度控制系統的核心部分。因為對溫度控制器具有較高的要求，例如高執行速度，高控制精度，高穩定性以及高靈敏度等，所以選擇一個具有較高性能而又經濟的單片機就成為必然。本設計選用屬于STM32系列的STM32F103VET6單片機作為控制電路的核心部件，該單片機屬于ST意法半導體公司生產的32位高性能、低成本、低功耗的增強型系列單片機，它的內核采用的是ARM公司最新研發的Cortex-M3架構，該內核是專門設計于滿足用戶對高性能、低功耗和經濟實用的要求。ARM Cortex-M3處理器的架構在系統結構上的增強，使得STM32增強型系列單片機受益無窮，其采用的THUMB-2指令集使得其指令效率更高和而且性能更強。

STM32F103VET6采用薄型四方扁平式封裝技術(LQFP)具有100管腳，片內具有512KB的FLASH，64KB的RAM(片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、安全數字輸入輸出卡SDIO、可變靜態存儲控制器FSMC等資源)。1個串行外設接口(SPI)總線控制的M25P16(16MB容量的串行FLASH)，用于存儲數據、代碼、字庫及圖相等等。1個2.8寸26萬色顯示屏(TFT 240X320(帶觸摸屏))接口，利用MCU的FSMC的16位數據接口模式，觸摸屏采用ADS7843(4線電阻觸摸屏轉換接口芯片)芯片用硬SPI接口控制。STM32單片機采用2.0~3.6V的供電電壓，可以工作在-40℃~85℃的溫度范圍內，其最高的工作頻率是72MHz，其引腳分布如圖3所示。

STM32F103VET6單片機有3個不同的時鐘源可供選擇用以驅動系統時鐘，分別為HIS振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘和PLL時鐘。這些設備還具有2個二級時鐘源，分別是40KHz的低速內部RC和32.768KHz的低速外部時鐘源，可以用來驅動看門狗時鐘和RTC。任何一個時鐘源在不被使用時，都可以被獨立的關閉或者開啟，以實現對系統功耗的優化。

單片機由AMS1117-3.3芯片電路供電，輸入+5V，提供3.3V的固定電壓輸出，為了降低電磁干擾，需要經C7-C10濾波后再為CPU供電，R8為DGND與AGND的連接電阻，R9和D5 LED和電源指示連接電阻，電源電路如圖4所示。

RTC的備份電源采用VBAT 3.3V 鋰離子片狀電池，RTC的備份電源如圖5所示。