基于USART-HMI智能串口屏的節能恒溫控制系統設計

李梁京，張雪芹，劉華波*

（1.中車工業研究院（青島）有限公司，青島 266071；2.青島大學 自動化學院，青島 266071；3.山東省工業控制技術重點實驗室，青島 266071）

0 引言

隨著社會發展和人們生活水平的逐步提高,對恒溫控制系統的準確性、快速性以及信息顯示的多元化要求日益增高。本設計將USART-HMI智能串口屏應用到恒溫控制系統中,使系統更加智能化、人性化,整個系統不需要外加開關控制電路,用戶可以直接操作屏幕的圖形界面實現對目標溫度、時間等參數的設置,極大地提高了人機交互的體驗[1,2]。此外,針對傳統的溫度控制系統功能單一、可擴展性低的弊端,本系統采用RS485接口實現主控單元與變頻器之間的級聯通訊,具有接線簡單、抗干擾能力強、擴展方便、傳輸距離遠等優點[3]。且變速運行下的風機不僅降低了噪音,同時減少了機械磨損,延長了風機的使用壽命,降低了維修成本和時間；且此調速方法可減少無功電流和無功損耗,節能效果顯著。本系統不僅適用于智能家居的溫度控制,在蔬菜大棚、動物養殖等對溫度要求較高的領域同樣適用。另外,系統預留外部接口供進一步擴展功能使用,例如可以搭載藍牙模塊與手機APP通過藍牙通訊控制環境溫度,利用WiFi模塊上傳溫度記錄至服務器端等。

1 系統總體設計

本系統主要由USART-HMI智能串口屏、STM32F103微控制器[3]、電源模塊、溫度采集模塊、RS485通訊模塊以及繼電器控制模塊組成。利用USARTHMI智能串口屏進行人機交互并控制系統工作狀態；STM32作為主控單元,用于接收溫度信息、用戶操作指令、以及控制變頻器、繼電器等信息的分析與處理,同時按照微控制器接收的信息優先等級執行對應指令[5,6]。系統控制框圖如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

2 系統硬件設計

2.1 USART-HMI智能串口屏

USART-HMI智能串口屏采用DC5V供電,通過串口通信與CPU主控模塊連接。此串口屏的內部功能強大,具有多種組態控件：按鈕控件、進度條控件、文本控件、指針控件等。首先,在運行中MCU通過串口指令改變控件的屬性就可以改變屏幕上顯示的內容,例如可通過串口發送或寫入數據對頁面ID、字符內容、文本控件屬性等進行修改；其次,此串口屏不占用太多CPU資源,因為大多數需要界面顯示的內容是通過屏幕本身的處理器實現的,因此MCU只用發送指令,而不需要編寫相關的驅動程序；再次,屏幕廠家提供的上位機軟件簡單易用,通過圖形化的方式就可以對人機界面的布局和大多數的邏輯（比如界面背景,按鈕效果,文本顯示等）進行設置,十分便捷和高效。除此之外,USART-HMI智能串口屏通過串口中斷收、發數據,實時性強,且不會因為刷新界面而產生數據丟包等問題。本系統以菜單的形式,通過設備本身自帶的上位機軟件設置溫度、時間等參數,并對系統界面層次進行劃分[7,8]。

2.2 電源轉換電路

本系統所使用的電壓有5v和3.3v,系統電源為220v交流電輸入,首先采用具有高精度且集成有過流保護電路的電源芯片TP15AT220S05W,將220V交流電轉換得到5v直流電,再采用具有高速響應特性的芯片ME6212C33M5G將電壓穩定至3.3v。圖4通過帶隔離的DC-DC芯片將系統電源和RS-485收發器的電源隔離。

圖2 220v-5v電源電路圖

圖3 5v-3.3v電源電路圖

圖4 485通信電源隔離電路圖

2.3 RS485通信電路

通信電路采用美信半導體的MAX485芯片,此芯片成熟度高,應用方便,如下圖5所示為芯片的電路原理圖。MAX485芯片采用+5v電源供電,為了保障傳輸信號的可靠性,通信芯片采用隔離電源獨立供電。MAX485芯片的8腳為電源輸入,5腳為電源地；6腳和7腳是差分信號傳輸引腳,由于通信端口需要外接線纜,會對傳輸信號引入干擾,為了提高傳輸信號的抗干擾能力,需要在芯片電路上設計阻抗匹配,故在芯片的差分信號引腳之間連接一個終端電阻R[9],此處選用120Ω。1腳和4腳為串口通信引腳,與單片機上的串口引腳相連接；2腳和3腳是信號傳輸方向選擇引腳,為了節省單片機IO使用數量,將這兩個引腳連到一起由同一個單片機IO使能。常態下將使能引腳拉低,MAX485處于接收狀態,當外部有信號通過P9輸入時,經芯片處理后轉換為串口信號發送至單片機；當需要發送數據時,由單片機控制將使能引腳拉高,芯片接收串口數據并轉化為差分信號輸出,數據發送完成后再將使能引腳拉低。

圖5 RS485通信電路圖

2.4 溫度采集電路

溫度采集對整個系統至關重要,因此采用測溫范圍比較寬且線性度非常好的PT100實現對溫度的采集。采集電路如圖6所示,根據運算放大器的“虛短”原則,TLC2272的1腳電壓等于其3腳電壓（即PT100采集的電壓信號）,此電路具有電壓跟隨作用,同時可以實現穩壓和濾波。由于PT100的工作電流小,電壓比較微弱,需要進行信號的放大處理以便于單片機的AD采樣,根據同向比例運算放大器的放大原理,TLC2272的7腳電壓將PT100采集的電壓信號放大11倍。放大后的電壓信號連接STM32F103VCT6的引腳PC0,單片機對采集過來的電壓進行換算,可以得到pt100兩端的電壓,通過歐姆定律計算出pt100的阻值,再經過查表獲取當前的阻值對應的溫度。

圖6 溫度采集電路圖

2.5 繼電器控制電路

使用光電耦合器作為繼電器線圈的驅動開關的繼電器控制電路如圖7所示。當單片機的PE1腳設置為高電平時,光耦內部的LED點亮,驅動光耦內部的光敏三極管導通,繼電器線圈吸合控制相應設備工作,此外光電耦合器還可以有效隔離輸出側對主回路的影響。當光電耦合器由導通變為截斷時,線圈斷電,為避免線圈里的磁場產生的反向電動勢擊穿電路元件,在繼電器線圈兩端反接續流二極管D17把反向電動勢以電流的形式中和掉。

圖7 繼電器控制電路圖

3 系統軟件設計

圍繞本系統硬件電路和設計要求,由USART-HMI智能串口屏組成的核心控制器設計流程如下：系統運行前先進行初始化,初始化完成后系統根據硬件要求進行自檢,主要檢測模塊有溫度采集功能檢測,變頻器故障檢測,變頻器RS485通訊功能檢測。系統自檢完成后,通過USB轉TTL接口將串口屏與電腦相連,在串口屏“前初始化命令”中輸入“baud=115200”,設置串口屏與單片機波特率一致并將設計的界面源程序下載到串口屏上。通過串口屏直接設定目標溫度,單片機每隔5s進行一次AD采樣,當采集的溫度值大于設定溫度時,變頻風機啟動,顯示屏上雪花圖樣的藍色指示燈亮起；當采集的溫度值小于設定溫度時,加熱器啟動,同時顯示屏上太陽圖樣的紅色指示燈亮起；當采集溫度與設定溫度相同,顯示屏上彩燈亮起。系統主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統主程序流程圖

4 實物測試

按照系統硬件電路進行接線,并在USART-HMI智能串口屏自帶的上位軟件中對軟件程序進行聯機調試,調試完成后將實物置于一個封閉環境內進行測試。如圖9所示,單片機上電后,讀取當前環境溫度為22.4℃,在USART-HMI智能串口屏上設定目標溫度為25.0℃,紅燈亮起,代表加熱器處于工作狀態,70S后,顯示當前環境溫度為24.7℃,85s后,彩燈亮起,說明溫度已達設定值。隨著加熱器關閉后剩余熱量繼續散熱,導致溫度微微上升略高于設定溫度,風機開始工作進行降溫,彩燈熄滅藍燈亮起。當溫度降低到設定值時,藍燈熄滅彩燈亮起,如此循環保證系統溫度一直處于設定值范圍之內。

圖9 實物測試圖

5 結語

本文通過采用USART-HMI智能串口屏實現對控制系統的恒溫控制,不僅提高了系統的智能化、多元化,且人機交互界面更加友好；通過串口屏便可直接對溫度、時間等參數進行設置,可操作性強。單片機和變頻風機之間采用RS485通訊方式,功耗低,穩定性好,可擴展性強,具有較好的推廣應用前景和開發價值。