設(shè)計(jì)選用STM32單片機(jī)作控制器，設(shè)計(jì)溫度單反饋的控制系統(tǒng)，對電加熱水器內(nèi)水的溫度進(jìn)行控制。通過PT100溫度傳感器實(shí)現(xiàn)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(jìn)行處理。利用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制輸出PWM信號，用此信號控制接觸器進(jìn)而控制電加熱水器的電源通斷，最終實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。同時(shí)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面來實(shí)現(xiàn)對水溫的控制顯示。通過對此課題的設(shè)計(jì)，能夠使自動化的學(xué)生對工業(yè)過程控制對象具有更進(jìn)一步的了解，同時(shí)熟練掌握自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，為以后的工作學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　一、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1、控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

　　溫度是一個很重要的變量，需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確地控制。溫度控制系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規(guī)定的規(guī)律變化。閉環(huán)控制是溫度控制系統(tǒng)中最為常見類型，本設(shè)計(jì)即為閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，閉環(huán)溫度控制方框圖如圖1所示。

　　溫度控制系統(tǒng)由被控對象、測量裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測量裝置對被控電加熱水器中水溫進(jìn)行測量，控制器將測量值與給定值進(jìn)行比較，若存在偏差便由控制器對偏差信號進(jìn)行處理，輸出控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來啟動或停止電加熱水器工作，最終將溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。被控對象是電加熱水器內(nèi)水的溫度。

　　基于上述理論設(shè)計(jì)出本控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)硬件主要有：STM32單片機(jī)、PT100溫度傳感器、開關(guān)電源、模擬量前向通道、繼電器輸出模塊、HH52P型固態(tài)繼電器、CJ20-10型接觸器、電加熱水器，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　2、STM32單片機(jī)介紹

　　STM32單片機(jī)是整個溫度控制系統(tǒng)的核心部分。因?yàn)閷囟瓤刂破骶哂休^高的要求，例如高執(zhí)行速度，高控制精度，高穩(wěn)定性以及高靈敏度等，所以選擇一個具有較高性能而又經(jīng)濟(jì)的單片機(jī)就成為必然。本設(shè)計(jì)選用屬于STM32系列的STM32F103VET6單片機(jī)作為控制電路的核心部件，該單片機(jī)屬于ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本、低功耗的增強(qiáng)型系列單片機(jī)，它的內(nèi)核采用的是ARM公司最新研發(fā)的Cortex-M3架構(gòu)，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足用戶對高性能、低功耗和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。ARM Cortex-M3處理器的架構(gòu)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，使得STM32增強(qiáng)型系列單片機(jī)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(qiáng)。

　　STM32F103VET6采用薄型四方扁平式封裝技術(shù)（LQFP）具有100管腳，片內(nèi)具有512KB的FLASH，64KB的RAM（片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、安全數(shù)字輸入輸出卡SDIO、可變靜態(tài)存儲控制器FSMC等資源）。1個串行外設(shè)接口（SPI）總線控制的M25P16（16MB容量的串行FLASH），用于存儲數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)接口模式，觸摸屏采用ADS7843（4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片）芯片用硬SPI接口控制。STM32單片機(jī)采用2.0~3.6V的供電電壓，可以工作在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，其最高的工作頻率是72MHz，其引腳分布如圖3所示。

　　STM32F103VET6單片機(jī)有3個不同的時(shí)鐘源可供選擇用以驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)鐘，分別為HIS振蕩器時(shí)鐘、HSE振蕩器時(shí)鐘和PLL時(shí)鐘。這些設(shè)備還具有2個二級時(shí)鐘源，分別是40KHz的低速內(nèi)部RC和32.768KHz的低速外部時(shí)鐘源，可以用來驅(qū)動看門狗時(shí)鐘和RTC。任何一個時(shí)鐘源在不被使用時(shí)，都可以被獨(dú)立的關(guān)閉或者開啟，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功耗的優(yōu)化。

　　單片機(jī)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(jīng)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。

　　單片機(jī)的外部晶體/陶瓷諧振器（HSE）（P12、P13），Y1是8MHz晶體諧振器，C22、C23 是諧振電容，大小選擇22P。系統(tǒng)的時(shí)鐘經(jīng)過PLL模塊將時(shí)鐘提高到72MHz。單片機(jī)的低速外部時(shí)鐘源（LSE）（P8、P9），Y2為32.768KHz的晶體諧振器，C20、C21 諧振電容選擇22PF。要注意的是根據(jù)ST公司的推薦，Y2要采用電容負(fù)載為6PF的晶振，否則有可能會出現(xiàn)停振的現(xiàn)象，時(shí)鐘電路如圖6所示

　　目前，STM32單片機(jī)已經(jīng)在很多場合得到應(yīng)用，研制出了很多性能優(yōu)良的產(chǎn)品，例如可編程邏輯控制器，打印機(jī)，掃描儀，電機(jī)控制以及一些數(shù)碼產(chǎn)品，STM32已成為非常成熟的可應(yīng)用控制器件，本次設(shè)計(jì)選用的開發(fā)板如圖7所示。

　　3、硬件接線及其原理介紹

　　溫度控制系統(tǒng)在正常工作的時(shí)候，首先由PT100溫度傳感器檢測被控對象電加熱水器內(nèi)水的當(dāng)前溫度信號，將PT100溫度傳感器的電阻值變化在模擬量前向通道中作變換放大、冷端溫度補(bǔ)償、線性化。然后將模擬量前向通道輸出的模擬電壓信號送給主控模塊的STM32單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)字化處理后與給定的溫度值的數(shù)字量進(jìn)行比較。單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的PID控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過顯示屏顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定值，程序自動確定系統(tǒng)是否存在異常，如果系統(tǒng)運(yùn)行正常，將PID運(yùn)算結(jié)果作為輸出控制量控制PWM波形的輸出，控制執(zhí)行器的動作，從而達(dá)到接通或者斷開電阻爐主電路的目的，實(shí)現(xiàn)對電加熱水器的控制。單片機(jī)控制水溫的同時(shí)可選擇連接上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，將變量的信息傳給上位機(jī)使用，并將上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)下載到控制器STM32，從而達(dá)到上位機(jī)組態(tài)應(yīng)有的效果。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制回路接線如圖8所示

　　模擬量前向通道使用TI公司生產(chǎn)的TLC7135（也可稱為ICL7135）芯片，加上前級模擬信號運(yùn)算放大器的特殊處理， 以及一些其它的基本元器件成功地實(shí)現(xiàn)了微弱信號的測量。TLC7135具有以下特性：輸入阻抗高，對被測電路幾乎沒有影響；能夠自動校零；有精確的差分輸入電路；自動判別信號極性；有超、欠壓輸出信號；采用位掃描（共5位）與BCD碼輸出。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PT100作為溫度傳感器，需要接三根信號線，其中兩線內(nèi)部短接，信號經(jīng)單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051選通后，經(jīng)運(yùn)算放大器后得到溫度信號對應(yīng)的模擬電壓值，本次設(shè)計(jì)選擇的處理方法是經(jīng)運(yùn)算放大器的6管腳引出此模擬電壓信號，直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，模擬量前向通道如圖9所示［6］。

　　繼電器輸出模塊主要用來執(zhí)行STM32輸出的PWM控制信號，及時(shí)的接通或者斷開后邊的固態(tài)繼電器HH52P和交流接觸器CJ20-10，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對加熱器主電路的控制。由于單片機(jī)輸出的PWM信號3.3V左右電壓較低，不能直接用來驅(qū)動24V的固態(tài)繼電器HH52P，因此需要在其中間加用繼電器輸出模塊，繼電器輸出模塊供電電壓12V，只要有輸入信號便可以控制線圈的吸合與斷開，繼電器輸出模塊如圖10所示。

　　PT100是鉑熱電阻器，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。常見的PT100感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成［7］。PT100的工作原理：當(dāng)PT100在0℃的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關(guān)系并不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。

　　鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算公式如公式（1）和公式（2）所示。

　　公式中的A，B，系數(shù)為實(shí)驗(yàn)測定。PT100鉑電阻的RT曲線圖如圖11所示

　　PT100電阻隨溫度變化表見表1

　　本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路實(shí)物圖如圖12所示。

　　二、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　1、軟件開發(fā)環(huán)境及其工具

　　C語言編程

　　C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。它既有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫工作系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序，因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，C程序設(shè)計(jì)語言是一種在國內(nèi)外被廣泛使用的計(jì)算機(jī)編程語言。C語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調(diào)試和維護(hù)。C語言作為一種高級程序設(shè)計(jì)語言得到了廣泛的應(yīng)用，采用C語言編寫的軟件程序不針對特定的硬件系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的單片機(jī) 做移植，基于C語言的以上諸多特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的軟件程序設(shè)計(jì)，采用C程序設(shè)計(jì)語言［9］。

　　軟件開發(fā)工具介紹

　　編程軟件使用源自德國Keil公司的 RealView MDK，這一款編程軟件被全球超過十萬的嵌入式工程師或者學(xué)者驗(yàn)證和使用，是ARM公司最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。它集成了業(yè)界最領(lǐng)先的技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件工程師所需要的特點(diǎn)和功能，uVision4集成開發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3內(nèi)核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash少些模塊，強(qiáng)大的性能分析功能。其集成開發(fā)環(huán)境如圖13所示。

　　uVision4集成開發(fā)環(huán)境主要的性能：

　　（1） 源代碼編輯器的功能非常強(qiáng)大。

　　（2） 設(shè)備數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)開發(fā)工具進(jìn)行配置。

　　（3） 工程管理器可以用于創(chuàng)建和維護(hù)工程。

　　（4） 編譯工具集匯編、編譯、連接過程于一體。

　　（5） 用于設(shè)置開發(fā)工具配置的對話框。

　　（6） 真正集成高速CPU及片上外設(shè)模擬器的源碼級調(diào)試器。

　　（7） 高級GDI接口，可用于目標(biāo)硬件的軟件調(diào)試和ULINK2仿真器的連接。

　　（8） 用于下載應(yīng)用程序到Flash ROM中的Flash編程器。

　　（9） 完善的開發(fā)工具手冊、設(shè)備數(shù)據(jù)手冊和用戶向?qū)А?/p>

　　2、STM32工程創(chuàng)建與配置

　　經(jīng)過學(xué)習(xí)軟件的編程，對STM32程序編寫有初步的認(rèn)識，下面就是創(chuàng)建與配置工程的全部過程。

　　（1）新建一個文件夾（以后編的每一個工程都放進(jìn)這個文件夾里，自己命名，此處所有文件都可以自己命名，例如：STM32 file）。此處所用到的庫函數(shù)版本為V3.5庫函數(shù)版本。

　　（2）創(chuàng)建一個文件夾（名字可以根據(jù)你編寫的程序來命名，如：Demo）。 新建子文件夾User，用于存放用戶源程序。新建子文件夾Project，用戶KEIL工程文件。在Project下依次創(chuàng)建Obj和List子文件夾，存放編譯過程中產(chǎn)生的中間文件。將main.cstm32f10x_conf.h、stm32f10x_it.c、stm32f10x_it.h 、system_stm32f10x.c等文件復(fù)制到User文件下。

　　（3）復(fù)制源代碼到Demo文件夾。

　　將stm32f10x_stdperiph_lib3.5 / Libraries文件夾整體復(fù)制到Demo文件夾下 這就是ST的標(biāo)準(zhǔn)庫，是以源代碼形式提供的。也可將Libraries文件夾直接復(fù)制到STM32 file文件夾下，使其與以后創(chuàng)建的其他工程同在一個目錄下，這樣可使在該目錄在的工程共享Libraries。免得以后創(chuàng)建一個工程就得復(fù)制一次Libraries。

　　（4）新建一個Keil MDK工程

　　? 啟動Keil MDK，點(diǎn)擊菜單New uVision Project，然后按向?qū)нM(jìn)行操作。選擇CPU類型為STM32F103VE。當(dāng)提示是否復(fù)制啟動代碼時(shí)，選擇否。為了延長芯片使用壽命以及加快仿真速度，可以在ram中直接仿真（ram仿真速度快），用ram仿真 在斷電之后數(shù)據(jù)就全部丟失了，修改Target名字， 添加兩個，一個Flash，一個Ram。

　　? 為了便于代碼管理，在這個Project下創(chuàng)建幾個Group，User：存放用戶自己寫的源代碼；RVMDK：存放啟動文件（匯編文件）；StdPeriph_Driver：存放ST標(biāo)準(zhǔn)庫文件；CMSIS ：存放CMSIS接口文件（這也是庫的一部分）；創(chuàng)建好Group后，我們開始依次添加文件。添加User：如main.c stm32f 10x_it.c添加RVMDK：statup_stm32f 10x_hd.x；添加StdPeriph_Driver ：我們用到的STM32溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一些.C文件。如：misc.c stm32f 10x_rcc.c stm32f 10x_gpio.c等；添加CMSIS ：core_cm3.c system_stm32f 10x.c。

　　（5）配置工程， 點(diǎn)擊“Options”按鈕。

　　? 打開Flash 調(diào)整Flash設(shè)置，切換到Output，然后選擇Object文件夾，在CreateHex File 前打鉤，并將Name Executable修改為output。

　　切換到Listing，選擇Listings文件夾。切換到C/C++，添加兩個預(yù)編譯宏STM32F10X_HD， USE_STDPERIPH_DRIVER （這是ST庫用到了這兩個宏），修改Includes路徑。切換到Debug，選擇硬件調(diào)試器，我們選擇ST-Link Debugger，在Run to main前打鉤。切換到Utilities，選擇調(diào)試器類型，我們選擇ST-Link Debugger。

　　? 打開Ram，調(diào)整Ram設(shè)置。切換到target，切換到Output。選擇Object文件夾，在Create Hex File 前打鉤。將Name Executable修改為output。切換到Listing，選擇Listings文件夾。切換到C/C++，選中One ELF Section per Function，添加兩個預(yù)編譯宏STM32F10X_HD， USE_STDPERIPH_DRIVER（這是ST庫用到了這兩個宏），修改Includes路徑。這樣就新建一個工程，我們可以根據(jù)需要自己所要實(shí)現(xiàn)的功能編輯程序。