张华伟-基于STM32F4ARM单片机精确温控的设计与实现(2)

绪论

1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

随着科技的发展，现代工业设计、工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，对温度控制的精度要求也越来越高。早期的温度控制主要用于在一些对温度要求控制的产品生产中，这样可以通过实时采集到的温度数据进行监测产品生产，以大幅提高产品生产质量和生产效率。随着人类社会的快速发展，现代社会中的温度控制系统早已应用在生活中的各个领域，像在一些酒店，厂房以及家庭生活中，甚至在一些应用中，对温度控制系统的要求变得极其严格。因此，这就需要一种能够及时反应监测温度变化的设备，提供温度数据值，使人们能够及时对温度的变化做出相应的调整，更好的方便于人类社会生活。

科技的快速发展，改变了人类社会生活，特别是在电子技术方面，在大规模集成电路诞生下而产生的微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微型计算机的强大功能，人们可以实现更多复杂的控制，实现原来不能实现的控制。然而，由于大多数的工业控制并不需要微型计算机那样强大的功能，于是就诞生了单片机。单片机其实就是一个简化的微型计算机，它的用途主要是实现不同的控制功能。相对于微型计算机来说，单片机使用简单，价格低廉，对一些简单控制要求的场合非常适合。另外，单片机同样是按照工业控制要求设计的，其性能可靠性高，可以在很复杂的环境下正常运行。单片机因其较高的可靠性和性价比，在工业生产控制、家用电器等方面得到极为广泛的应用。 1.2课题的国内研究现状

我国对温度控制技术的研究相对晚于西方国家，在20世纪80年代我国技术人员开始对温度测控系统有了进一步研究。目前国内对温控系统的研究越来越深入，温控系统也发展到嵌入式单片机自动控制系统，温度检测也发展为现今的可编程的温度控制传感器，另外制冷加热模块也有所改善，这促使温度控制系统可调温度范围大大扩展，精度控制也越来越高，但与发达国家相比仍存在较大差距。我国温度控制现状距离达到工厂化程度仍有很远一段距离，实际生产中仍存在诸多问题。如今国内温控系统多采用在家用电器，主要为空调、冰箱等；另外目前在国内具有生产温度控制器能力的厂商较少，仅一些相对发达的省市才有具有生产能力的生产厂家，而且他们的目

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绪论

前的生产力远不能满足市场的庞大需求；另外根据汽车行业当前市场的发展，一些公司企业地区产业的扩大，汽车产业规模日益壮大，在汽车、空调方面对温度控制器需求量也必将增[1]。 1.3 课题的国外研究现状

近年来国外温控系统的发展速度急剧上升，而中国对这一变化有着决定性因素，中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的快速发展影响着国内外温控系统的发展速度[2]。另外国外的很多终端厂商转移到国内生产，得以获得低成本的劳动力和原料优势。

虽然温度控制系统在国内各方面发展应用已经十分广泛普遍了，但根据调查研究国内的温度控制器来看，国内整个发展趋势和发展水平并不高，相对国外而言在性能方面仍存在一定的不足。一些稳定成熟的温控系统产品控制算法以常规的PID控制算法为主，它仅能满足一般要求的控制系统，对一些要求较高场合的智能化、自动控制仪器，国内技术明显无法满足，在自动控制技术方面显得还不十分成熟，能够形成商品化的自动控制仪器仪表并不多。目前，温度控制器产品已从最初的模拟、集成温度控制器发展到如今的智能数码温度控制器。智能温控系统是计算机技术和自动控制技术的整合，特点是能输出温度数据和适配各种控制器，另外它是通过软件的控制功能读取温度数据的，在硬件平台的基础上实现，因此其智能化程度和软件的开发水平有莫大的关系。

1.4 课题的研究目的和内容

智能温控系统是一种新颖的自动化温控系统，是一个完整的多功能温控系统。本次设计的目的是深入研究温控系统的各个部分，研究并实现铂电阻温度测量，实现PID控制算法，实现对温度的精确控制，实现各个模块的正常工作。

本设计主要内容是是对该系统的总体方案及硬件、软件进行分析概要设计。在总体方案上，我们首先画出一般温控系统的原理框图，随后分析相关资料对温度传感器模块、显示模块、A/D采集模块等各部分一一进行了方案论证与分析，确定了各模块设计的具体方案，得出系统的详细原理框图。在硬件上详细地介绍了温度采集电路的基本原理及相关参数计算，数码管电路与按键接口电路的设计，半桥驱动电路及运算放大电路的基本原理与具体设计。在软件上主要研究了PID算法的基本理论及增量式PID算法的实际应用，另外着重对温度采集、A/D转换程序进行相关分析和介绍。

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系统总体方案的设计与论证

2 系统总体方案设计与论证

本设计的总体框图如图2-1所示。其中，包括温度检测模块、MCU主控模块、加 热器模块、显示器模块等器件，且各主要模块之间形成闭环，能够实现实时温度采集与控制。由于温控技术已相对比较成熟，温度控制系统的各个模块都有多种方案可供选择，因此要结合现实情况，对不同模块的相关方案进行论证和分析，以得到适用于本课题的最佳方案。

温度传感器 A/D采样 加热模块 MCU显示模块 控制对象 主控系统按键模块 图2-1 系统总体框图

2.1 主控系统方案论证

根据本设计功能要求，分析完成功能所需要的信号处理能力和输出信号量做出了两种方案。在此对其方案可行性和可靠性等做了如下分析。

方案一：选用STM32F407ZG单片机作为系统的主控部件，实现实时对系统进行控制与处理。ARM单片机具有速度快、资源丰富、开发周期短等优点。另外ARM单片机本身集成有AD转换模块，十位转换精度多通道AD转换满足开发需求，另外选用的STM32F407ZG带有FPU单元，它ST公司是为多浮点型数据运算而准备的。

方案二：选用51单片机作为系统的主控部件，实现实时对系统进行控制和处理。单片机有控制简单、使用方便快捷、价格低廉等优点。针对本设计特点，多模拟量输入和多浮点型数据的复杂程序控制系统，需要擅长处理多模拟量输入和多浮点型数据的标准单片机，同时需要选用A/D功能可增加adc0809模块。根据这些分析，常用的STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间高达8K，而且51单片机价格非常低廉，可满足需求但对浮点操作能力弱。

综合考虑了处理能力和数据量等因素后，最终决定采用方案一。STM32F407单片机实物图，如图2-2所示。

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系统总体方案的设计与论证

图2-2 STM32F407单片机实物图

2.2 电源系统方案论证

方案一：通过的市面上电源适配器模块能够提供温控系统需要的稳定电压，使用家庭电压220V转换后输出12V-1.2A的电源提供整个系统使用，提供3.3伏特的电压供单片机运行，稳定而且方便。

方案二：采用12V锂电池单电源供电，但锂电池单电压供电电量损耗快，由于加热模块功率高用电量大，所以，需要选用容量较大的电池供电才行。

综合考虑选择方案一，其采用的电源如图2-3所示。

图2-3电源

2.3 温度传感器方案论证

方案一：数字式温度传感器是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、PLC、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。Dallas公司的DS18B20属于典型的数字温度传感器[3]，其主要特性如下 …… 此处隐藏：2495字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……