基于STM32的远程温控系统设计

基于STM32的远程温控系统设计

 

 

    目前，本文的设计基于STM32硬件单元，采用一种温控单元与计算机相结合的主从式远程温度控制模式。利用工控机进行PID参数整定后通过网络控制温控单元的输出，温控单元输出控制信号调整可控硅的开角，从而达到改变加热功率的目的。本文采用仪表与计算机相结合的主从控制模式，软、硬件部分分别独立工作，便于系统的升级改造，可以有效地提高控制策略的灵活性。

 

本文所研究的基于组态软件实现的模糊PID算法智能温度远程监控系统，能较好地解决温度的远程控制问题，且系统结构非常简单，温度控制精度高。

 

　　温控单元实现的功能包括温度信号的模拟量数据采集、控制调压器可控硅开角的模拟信号输出、控制信号的I/O输出，以及温控单元与工控机之间的数据传输等。

　　STM32系列32位闪存微控制器使用ARM公司的Cortex-M3内核，处理器的核心是基于哈佛架构的3级流水线内核，该内核集成了分支预测，单周期乘法，硬件除法等众多功能强大的特性，目前已经获得了广泛的应用。

　　温控单元选用的处理器是STM32的增强型系列处理器—STM32F103。该处理器频率为72MHz，带有片内RAM和USB2.0接口、16通道的12位A/D转换器、2通道的12位D/A转换器、以及I/O通道等丰富的外设。其中系统集成的双ADC结构允许双通道采样/保持，以实现12位精度、1μs的转化。处理器的双ADC结构为2个工作在非连续模式的独立的时序控制，具有多个触发源，每个通道的采样时间均可编程。

　　本文设计的系统采用独立于微控制器的专用网络接口芯片来实现TCP/IP协议，网络芯片选择W5100，微处理器与网络芯片通过SPI接口进行连接。温控单元硬件组成如图2所示。

　

　　电加热炉是一个复杂的受控对象，具有多参数、非线性、时变性、纯滞后、多干扰等特点，对其进行精确的数学建模非常困难。模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式以及模糊逻辑理论为基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，并且可以引入专家经验，可以较好地解决此类温度控制问题。但由于单独使用模糊控制不易消除稳态误差，且对控制器运算性能要求较高，而PID算法简单又可以较好地消除稳态误差，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。

 

　　PID控制器是通过对误差信号()et进行比例、积分和微分运算，其结果的加权，得到控制器的输出ut，该值就是控制对象的控制值。PID控制器的数学描述为：

　　将模糊控制与PID控制结合，根据操作经验与模糊理论，在线自整定PID控制器的3个基本控制参数，输出控制变量，利用模糊控制实时修正PID参数，提高系统的控制精度和鲁棒性，该控制器具备自适应性。

　

　　高温高压下水流体-固体相互作用在自然界、工业生产、工程技术以及科学实验中都广泛存在，无论在地球科学、物理学、化学等自然基础科学还是在应用科学、工程技术和工业生产中，水流体-固体相互作用都是极受关注的基本科学问题。各类高温高压下水流体-固体相互作用的科学问题可通过相应的实验装置分析，目前所用的实验装置的精度及自动化水平较低。采用先进的控制技术及计算机技术，控制反应器整体温度的一致性与稳定性，实现高温高压下水流体-固体相互作用温控装置的自动化，可提高实验效率及数据的精确度。

　　组态软件集成了电路图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控软件设计，降低了监控画面开发难度，利用组态软件可以完成监控和远程控制，其基本设计思想是：首先完成工控机与温控单元的通讯，用组态软件实现工控机的操作界面，通过设计建立良好的人机界面实现实时温度的监控和动态显示。

　　系统安装有电压变送器、电流变送器，可以实时监测电压、电流数值，若出现加热炉温度及电压过高、电流过大、可控硅击穿保护、系统压力异常、升温速率失控、加热炉断线、短路时，加热立即停止并报警。另外，考虑到可控硅调压器及伺服启动器电源的电压为220V，为了防止出现触电等安全事故，电源上均装有交流接触器，通过软件远程控制加热的启动和停止。