基于STM32單片機的智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉紹麗，王獻合

（湖北文理學(xué)院理工學(xué)院，湖北襄陽，441000）

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個普遍應(yīng)用的參數(shù)。因此，溫度控制是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。溫度控制的發(fā)展引入單片機后，可以降低對某些硬件電路的要求，實現(xiàn)對溫度的精確控制。本文設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)主要目標(biāo)是實現(xiàn)溫度的設(shè)定值顯示、實際值實時測量及顯示，通過單片機連接的溫度調(diào)節(jié)裝置由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)溫度實時控制；顯示可由軟件控制在LCD1602中實現(xiàn)；比較采集溫度與設(shè)定閾值的大小，然后進行循環(huán)控制調(diào)控，做出降溫或升溫處理；同時也可根據(jù)判斷發(fā)出警報，用以提高系統(tǒng)的安全性[1-5]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以STM32F103RTC6單片機為核心對溫度進行控制，使被控對象的溫度應(yīng)穩(wěn)定在指定數(shù)值上，允許有1℃的誤差，按鍵輸入設(shè)定溫度值，LCD1602顯示實際溫度值和設(shè)定溫度值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

本系統(tǒng)硬件電路主要包括：主控制器模塊、數(shù)字溫度測量模塊、溫度數(shù)值顯示模塊、溫度控制模塊、系統(tǒng)供電模塊等。

2.1 主控制器模塊

主控制模塊是由STM32F103RTC6單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成，該控制器具有高性能、低成本、低功耗等特點，采用性能較高的ARMCortex-M3的32位的RISC內(nèi)核，工作頻率是72MHz，內(nèi)部有高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強型I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。

2.2 數(shù)字溫度測量模塊

模擬信號在遠(yuǎn)距離傳輸過程中，由于所需引線較長，系統(tǒng)會產(chǎn)生誤差補償、多點切換及放大電路的零點誤差等問題。此外，考慮到測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境十分不確定，干擾信號可能比較強，模擬信號易受到干擾因素導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差，影響測量的精度。因此，本系統(tǒng)采用一種抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20來避免發(fā)生上述問題。

2.3 溫度顯示模塊

顯示模塊主要用于顯示狀態(tài)以及溫度值，本設(shè)計選用簡單易用的LCD1602。它是一種專門用來顯示英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)點符號等的點陣型液晶模塊，由2*16個5X7點陣字符位組成，每個點陣塊都可以顯示一個字符，每位點陣塊之間有一個點距的間隔，兩行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。由于LCD1602所需電壓為5V，因此它與3.3V的單片機連接需要將STM32設(shè)置為開漏輸出，且連接5V的上拉電阻提高電平。

2.4 溫度控制模塊

溫度控制模塊是由TC4427A、PTC熱敏電阻、半導(dǎo)體制冷片以及N溝道MOS管構(gòu)成。TC4437A的功能是電平轉(zhuǎn)換，用以控制N溝道MOS管是否通斷。當(dāng)單片機給出3.3V高電平，TC4427A輸出端會轉(zhuǎn)換為12V高電平，然后連接到場效應(yīng)管的柵極，此時場效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，漏極會和源極接地連接并且連接到接線端子，與其 12V的電壓形成一個完整通路，則器件啟動。反之當(dāng)單片機給出0V低電平，TC4427A輸出端也為0V低電平，然后連接到場效應(yīng)管的柵極上，于是場效應(yīng)管處于斷開狀態(tài)（漏極和源極斷開），此時接線端子的12V電壓和場效應(yīng)管的漏極不能形成完整通路，則器件關(guān)閉。

2.5 電源模塊

由于單片機供電電壓為3.3V，而LCD1602為5V，其余器件所需電壓皆為12V，故而電源模塊主要是有適配器輸出12V的電壓，然后通過7805轉(zhuǎn)換的5V電壓以及AMS1117轉(zhuǎn)換的3.3V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圍繞該系統(tǒng)設(shè)計要求，軟件主控制模塊流程圖如圖3所示，具體工作如下：首先系統(tǒng)先查找溫度采集模塊是否安裝好，查詢無誤即可顯示當(dāng)前溫度值，然后根據(jù)上述硬件設(shè)計要求按下開關(guān)鍵一打開設(shè)定的溫度控制程序，開關(guān)鍵二和開關(guān)鍵三是設(shè)定上升溫度還是下降溫度，支持連續(xù)按下，開關(guān)鍵四控制發(fā)光二極管以及蜂鳴器進行報警提示，以上四個按鍵是在進入溫度控制后方可有效。當(dāng)設(shè)定值高于當(dāng)前溫度值，PTC加熱器工作，紅色燈亮起；倘若設(shè)定值低于當(dāng)前溫度值，半導(dǎo)體制冷器工作，藍(lán)色燈亮起；如若相等，彩燈亮起并且伴隨蜂鳴器報警。LCD1602一直顯示出當(dāng)前溫度，設(shè)定值由開關(guān)鍵來控制顯示。

圖3 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計主控制流程圖

4 系統(tǒng)測試

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果曲線圖

在升溫測試過程中，單片機上電后，當(dāng)前溫度讀取環(huán)境為19℃，其設(shè)定溫度為22℃，由于當(dāng)前溫度低于系統(tǒng)設(shè)定值，當(dāng)按下開關(guān)鍵四，紅色燈亮起，代表PTC在工作，系統(tǒng)升溫。當(dāng)升高到一定溫度，紅燈熄滅，彩燈亮起且蜂鳴器發(fā)出警報，說明溫度已進入溫度控制系統(tǒng)的設(shè)定值；但是由于PTC與DS18B20之間有一段距離，溫度隨著PTC關(guān)閉后剩余熱量繼續(xù)散熱，導(dǎo)致溫度略高于22℃；之后溫度略高于設(shè)定值半導(dǎo)體制冷器開始工作降低溫度，彩燈熄滅且藍(lán)燈亮起，溫度降低到等于設(shè)定值，藍(lán)燈熄滅彩燈亮起且蜂鳴器再次報警，如此循環(huán)保證系統(tǒng)一直處于設(shè)定值范圍以內(nèi)，如圖4紅色升溫曲線所示。降溫測試過程與升溫過程類同，其設(shè)定溫度為18℃，其測試結(jié)果如圖4藍(lán)色降溫曲線所示，可知系統(tǒng)工作累計的最大誤差為1℃，達到其設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用STM32主控制模塊、溫度控制模塊、DS18B20溫度采集模塊、顯示及報警模塊等制作智能化溫度控制裝置。結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度測量、顯示及自動控制等功能，具有功耗低，穩(wěn)定性好，可操作性強，構(gòu)建簡單，成本低廉等特點，并且系統(tǒng)擴展型強，具有較好的推廣應(yīng)用前景。