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基于STM 32的热罐温度控制系统
邱 彪 李世光 高正中 张 旭 芮 昱
山东科技大学信息与电气工程学院，青岛266510
摘要：本文介绍了一种基于STM 32的热槽温度控制系统。首先，采用基于恒流源的高精度电桥实现温度采集。然后采用软件实现的增广PID算法，利用Butterworth滤波器将STM 32的输出PWM转换为电流信号，控制半导体控制系统。 标定检验和实际应用表明，该系统可靠、精度高、实用性强，能够满足实际需要。
关键词：STM32；热油箱；温度采集；PID
手稿号码：1674-8042（2011）01-064-03
1 介绍
根据温度范围，热罐可分为低温热罐和高温热罐。热控热槽是一种高温热槽，在工业、医疗、科学等领域有着广泛的应用。由于一些特殊的热箱控制系统对温度的采集和控制精度要求很高，本文设计的温度测量系统可以测量16℃到80℃的温度及其精度优于plusmn;0.05℃。随着ARM以其强大的功能和低廉的成本逐渐占据微电子市场，基于ARM的温度控制系统的设计具有重要的现实意义和价值。
2 热罐的基本控制原理
该系统采用铂电阻作为温度传感器，基于恒流源的桥式电路，实现了内热槽的温度采集。然后将实际温度与触摸屏设定的温度进行比较，采用增强型PID算法进行调节，STM 32输出16位PWM信号。将PWM信号转换为电压信号去控制控制加热管的半导体控制整流器(SCR)的导通角。系统控制原理如图1所示。考虑到系统的精度和稳定性要求，本系统的特点是：功能强大、速度快的stm32f103作为控制器，采用增强型PID算法，充分利用片上r。 采用ADC、USART、16位PWM等微机输出，控制精度高。
图1系统控制原理
3硬件设计
该系统包括温度采集桥电路、STM32F103、彩色液晶触摸屏控制电路、滤波电路和可控硅电路。此外，该系统具有良好的人机交互功能，可采用5.6英寸彩色液晶显示器和触摸屏实现实时监控。温度控制系统结构如图2所示。
图2系统结构
3.1温度采集和A-D转换
在热阻温度传感器中，铂电阻具有精度高、性能稳定、耐腐蚀、使用方便等优点，是理想的温度传感器。 点火元件广泛应用于工业环境和控制系统中。当温度采集范围为16℃~80℃时，选用PT 1000作为温度传感器，其电阻随温度的变化规律，精度高，性能稳定。
在以铂电阻为温度传感器的检测电路中，不平衡桥式测量是典型的[1]。然而，铂电阻与温度的非线性以及非平衡桥的非线性导致捕获误差，从而改进了温度采集桥电路。采用恒流源供电，将两个桥臂与低噪声、低温漂移的精确运算放大器连接起来，用4dh2构成恒流。 源电路输出0.5A电流，因此铂电阻中的电流等于恒流源。
我们采用STM32F103模数转换器将温度的模拟电压转换成数字信号，12位模数转换器是一种逐次逼近的模拟数字转换器，具有自校准功能。 支票电托收，象征式互动。每个通道的D转换可以在单模式、连续模式、扫描模式或不连续模式下进行，在本系统中我们使用的是连续模式。ADC的结果存储在右位16位数据寄存器中，提高了转换速度。此外，模拟看门狗功能允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高或低阈值。
3.2 STM32F103在线芯片源
TM32F103可在-40℃~105℃内工作，满足工业环境的要求。它采用高性能的ARM cortex tm-m3 32位rISC核心，工作频率为72 mhz，用于存储数据和程序的高速嵌入式存储器(Flash内存高达128 K字节和SRAM高达20 KB)，以及范围广泛的增强的I/O，其中大部分具有备用功能和外围设备，连接到两个APB总线。它有三个通用16位定时器和两个看门狗，以及标准和先进的通信接口USART用来与液晶[2]。更重要的是，它提供了两个12位模数转换器，其转换速度为1mu;，适合于快速采集和快速处理。这是选择STM32F103作为核心控制器是本系统的重要原因之一。
3.3滤波和转换电路
为了实现从PWM信号到模拟输出的约定，我们采用二阶低通滤波器滤除高频分量，保持直流分量，改变PWM信号占空比，从而得到模拟电压输出。图3显示了所设计的Butterworth滤波器，滤波后将PWM信号转换为0~2.5V以控制晶闸管的导通角[3]。从而实现了对加热温度的精确控制。
图3巴特沃斯滤波器
4 软件设计
4.1 PID控制算法
该系统采用PID控制算法，是工业过程控制中广泛应用的一种基本控制方法。增广PID控制算法〔4〕：
但是，如果直接使用该算法，则会产生较大的超调，在启动、停止或实际调整时容易导致积分饱和。 对于这种现象，我们用积分分离作为改进。
在实际温度接近设定值之前，积分分离是无法工作的。当它工作时，可以消除静态误差，提高精度[5]。积分分离PID的框图如图4所示：
图4 I积分独立PID算法块图Am
4.2触摸屏软件设计
我们使用触摸屏，使人机接口更加友好、方便、快捷。采用专用控制芯片ADS 7843连接AMT 9532，四线电阻触摸屏，与STM32F103连接，处理触摸屏信号[6]。触摸屏的软件设计流程图如图5所示。
图5触摸屏流程图
5 实验结果
我们用0.001℃精度的标准温度计作为校准标准，对实验结果进行校核。具体方法：通过触摸屏在适当的温度范围内设定不同的温度，等到液晶显示的温度稳定后，再根据实际情况计算误差。 标准温度计的温度公式为：
检查结果如表1所示：
6 结论
该系统利用16位pwm输出、简单的滤波电路、转换电路、软件设计和浮点运算，实现了16位dA转换。这对于普通单片机来说是很难实现的。
系统温度范围为16℃~80℃，16位控制信号的分辨率可达1permil;。实验结果表明，该系统能够满足温度精度优于plusmn;0.05℃的控制要求。实际应用表明，该系统具有实时性强、灵活性强、精度高、成本低等优点，能够满足高精度、高稳定性、高可靠性的工业要求。
参考文献
[1]李兆军，纪平，小光楼，2007.高精度温度控制系统设计.电子测量技术.(2)：146-148
[2]ST微电子公司，2007.STM32F103XX数据表.
[3]夏大勇，周小辉，曾照，陈宝峰，胡恩典，2007.MCS-51型单片机温度控制系统，工业仪表与自动化，(1)：43-47。
[4]林武，恩平楼，冬青侯，梁旭，2006.基于PID算法的无线温湿度控制系统.科学文献学报，27(21)：619-620.
[5]赵燕，杨光志，2006.基于单片机的恒温自动含氧量测量系统.科学文献学报，S1.
[6]张松梅，梁俊凯，刘龙吉，2008.基于C8051F的热罐温度控制系统设计。电子测量技术，31(9)：147-149。
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