基于STM32的遠程溫控系統(tǒng)設計

　　摘要：本文介紹了一種基于STM32的遠程溫控系統(tǒng)的設計與實現。系統(tǒng)的硬件部分由工控機和以STM32F103為微控制器的溫控單元組成，在此基礎上設計了基于模糊PID的控制算法及其軟件實現。最后，將此系統(tǒng)應用于高溫高壓水流體-固體相互作用實驗裝置中，取得了令人滿意的控制效果。

　　關鍵字：遠程溫控系統(tǒng);STM32;模糊PID引言

　　溫度控制是工業(yè)控制的主要對象之一，常用的溫控數學模型是一階慣性加上純滯后環(huán)節(jié)，但其隨著加熱對象和環(huán)境條件的不同，會存在著較大的差異。因為溫控對象這種較為普遍的含有純滯后環(huán)節(jié)的特點，容易引起系統(tǒng)超調和持續(xù)的振蕩，溫度控制對象的參數會發(fā)生幅度較大的變化。因此無法采用傳統(tǒng)的控制方法(如常規(guī)的PID控制)對溫度進行有效的控制，而智能控制不需要對象的精確數學模型就可以對系統(tǒng)實施控制[1]。溫度控制多采用由單片機系統(tǒng)來實現溫度控制，其缺點是遠程控制系統(tǒng)復雜，可靠性差，特別是當控制點較多、距離較遠時，采取總線方式的通訊出錯概率較高，影響到溫度的控制精度[2]。

　　目前，多家廠商(如日本導電、島通)均推出精度可達0.1級的基于PID算法的智能型溫控儀表，然而這些公司對其核心技術并不公開，同時也不開放用于系統(tǒng)改進的接口或者代碼。本文的設計基于STM32硬件單元，采用一種溫控單元與計算機相結合的主從式遠程溫度控制模式。利用工控機進行PID參數整定后通過網絡控制溫控單元的輸出，溫控單元輸出控制信號調整可控硅的開角，從而達到改變加熱功率的目的。本文采用儀表與計算機相結合的主從控制模式，軟、硬件部分分別獨立工作，便于系統(tǒng)的升級改造，可以有效地提高控制策略的靈活性。

　　本文所研究的基于組態(tài)軟件實現的模糊PID算法智能溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能較好地解決溫度的遠程控制問題，且系統(tǒng)結構非常簡單，溫度控制精度高。

　　系統(tǒng)總體方案設計

　　溫度控制系統(tǒng)用于控制電加熱爐內的溫度，熱源為高溫電阻絲，采用可控硅電壓調整器來進行電加熱爐的溫度調整，此調整器是通過控制可控硅的導通角而調整輸出電壓、改變加熱體的發(fā)熱功率、從而達到控制電加熱爐溫度的目的。

　　如圖1所示，加熱爐實時的溫度由溫控單元采集熱電偶轉變?yōu)殡妷盒盘?，經溫控單元整理后，通過TCP/IP協(xié)議將打包后的溫度數據傳送至工控機端，將此溫度的采樣值與設定值比較，采取相應的控制算法計算出實時的PID參數，通過網絡控制溫控單元，溫控單元輸出4~20mA電流信號至可控硅調壓器，對可控硅的導通角的開度進行控制，調整加熱爐的溫度。采用本方案設計的系統(tǒng)具有結構簡單，易于實現的特點。

　　溫控單元設計方案

　　溫控單元實現的功能包括溫度信號的模擬量數據采集、控制調壓器可控硅開角的模擬信號輸出、控制信號的I/O輸出，以及溫控單元與工控機之間的數據傳輸等。

　　STM32系列32位閃存微控制器使用ARM公司的Cortex-M3內核，處理器的核心是基于哈佛架構的3級流水線內核，該內核集成了分支預測，單周期乘法，硬件除法等眾多功能強大的特性[3]，目前已經獲得了廣泛的應用。

　　溫控單元選用的處理器是STM32的增強型系列處理器—STM32F103。該處理器頻率為72MHz，帶有片內RAM和USB 2.0接口、16通道的12位A/D轉換器、2通道的12位D/A轉換器、以及I/O通道等豐富的外設。其中系統(tǒng)集成的雙ADC結構允許雙通道采樣/保持，以實現12位精度、1μs的轉化。處理器的雙ADC結構為2個工作在非連續(xù)模式的獨立的時序控制，具有多個觸發(fā)源，每個通道的采樣時間均可編程。

　　本文設計的系統(tǒng)采用獨立于微控制器(MCU)的專用網絡接口芯片來實現TCP/IP協(xié)議，網絡芯片選擇W5100，微處理器與網絡芯片通過SPI接口進行連接。溫控單元硬件組成如圖2所示。

　　控制策略的選擇

　　電加熱爐是一個復雜的受控對象，具有多參數、非線性、時變性、純滯后、多干擾等特點，對其進行精確的數學建模非常困難。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數學、模糊語言形式以及模糊邏輯理論為基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環(huán)結構的數字控制系統(tǒng)。模糊控制不需要被控對象的精確數學模型，并且可以引入專家經驗，可以較好地解決此類溫度控制問題。但由于單獨使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差，且對控制器運算性能要求較高，而PID算法簡單又可以較好地消除穩(wěn)態(tài)誤差，實際運行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律在相當多的工業(yè)生產過程中能得到比較滿意的結果[4]。