盧偉，占雪梅，李珊珊
（鄭州鐵路職業技術學院 電子工程系，河南 鄭州450052）
摘要：設計以ARM STM32F103作為系統控制核心，使用DS18B20測量溫度，以半導體制冷器件作為降溫設備，以PTC發熱片作為升溫設備，用LCD1602液晶進行顯示，實現對杯內水溫的有效控制。通過反復驗證，該溫控系統具有操作簡單、精度較高、工作可靠和性價比高等特點。
關鍵詞：溫控；STM32；DS18B20
0引言
隨著社會經濟的不斷發展，目前人們生活使用的水杯已經不能很好地滿足現代人對于智能化生活的需求。因此，設計一款新穎、實用、操作簡單的智能溫控水杯很有必要。智能溫控杯可以通過LCD顯示杯內的實時水溫，并根據個人需求有效地調節杯內水溫，滿足人們的多樣化需求。智能溫控杯的設計主要分為兩部分，一部分是機械結構的設計：確定所需材料、構型分布以及合理的執行機構等，保證智能溫控杯美觀、節能，并可高效地加熱和制冷；另一部分是控制系統的設計：實時顯示溫度、人機交互、有效控溫等。本文主要介紹智能溫控杯控制系統的設計［1］。
1系統設計方案
本系統包括STM32F103主控板、DS18B20溫度傳感器、矩陣鍵盤、聲光報警電路、LCD1602液晶顯示屏、驅動電路、繼電器控制電路、半導體制冷片及PTC加熱片，系統設計圖如圖1所示。
本系統采用防水型的DS18B20溫度傳感器采集杯內水溫信息，并將采集到的水溫信息直接傳送給主控器STM32F103進行處理，主控器將采集回來的溫度信息與通過矩陣鍵盤預設的溫度信息進行對比，如果實際溫度值大于預設溫度值，則使用半導體制冷片進行制冷降溫，如果實際溫度值小于預設溫度值，則使用PTC加熱片進行加熱升溫，以達到有效控溫的目的。同時STM32F103將DS18B20采集回來的溫度信息在LCD1602液晶顯示屏上進行溫度變化的實時顯示［2］。
2硬件系統主要部件設計
2.1電源模塊設計
電源的設計關乎到整個系統是否能夠正常運行，一般STM32處理器系統的標準電壓是3.3 V，首先使用LM7805得到5 V電壓，再通過ASM1117電路得到3.3 V電壓。具體電路圖如圖2所示。
5 V電壓使用LM7805模塊實現，圖2中的電容主要功能是濾波。本次設計用AMS1117的DC/DC轉換器功能提供穩定的輸出電壓，在電源設計中AMS1117的作用是把外接5 V電壓轉換成3.3 V的穩定輸出電壓，偏差是±6%［3］。
2.2測溫電路設計
本系統采用DALLAS公司生產的數字溫度計DS18B20進行溫度的測量，DS18B20相比于傳統的熱敏電阻等測溫元件，具有體積小、易處理等特點，只
需要進行簡單的配置就可以實現實時溫度采集。同時本次采用防水型的DS18B20，可以很好地進行水溫的測試，實現水溫的實時采集。DS18B20與STM32微處理器的連接方式非常簡單，具體電路圖如圖3所示。
2.3繼電器控制模塊
圖5智能溫控杯主程序流程圖控制系統對水杯進行升溫和降溫是通過控制繼電器的開關狀態來實現的，當實際溫度大于預設溫度值時，通過控制繼電器操作半導體制冷片進行制冷降溫；當實際溫度小于預設溫度值時，通過控制繼電器操作PTC加熱片進行加熱升溫。繼電器電路原理圖如圖4所示，繼電器的通斷由ARM STM32F103的GPIO口通過R1電阻與S8550三極管基極相連進行控制［4］。
3系統軟件設計
3.1增量式PID算法
系統采用PID算法控制單片機輸出PWM的占空比從而控制半導體制冷片的功率，PID是比例控制（P）、積分控制（I）和微分控制（D）的簡稱。在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器是應用最廣泛的一種自動控制器。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡單，結構形式靈活。控制點包含兩種PID控制算法，分別是增量式算法和位置式算法［5-6］。
智能溫控杯控制系統采用增量式PID算法進行恒溫控制，通過多次實驗，得到控制對象的一組控制系數。控制系統每隔一個采樣周期時間T，就將杯內水溫與預先設定的溫度值進行比較，從而得出偏差e(k)，然后將所得到的偏差值代入增量式PID公式進行PID運算。增量式PID計算公式：
此公式決定PWM方波的占空比，可得到相應的高電平持續時間，當杯內水溫與設定值差距較大時，加熱/制冷電路電流大，結果是使得杯內水溫與設定值偏差越來越小，最終達到自動控制的目的。同時，本文采用分段式控溫的思想，當溫度偏差值大于10℃時，進行全速加熱或者降溫，當偏差值小于10℃時，再啟動PID進行控溫，這樣既保證了加熱/制冷效率，還節約了系統的功耗［1-6］。
3.2軟件設計主流程
系統在初始化階段設置期望溫度，初始化完畢后通過DS18B20溫度傳感器對杯內水溫進行實時溫度采集，判斷采集到的溫度值與預設溫度之間的差值，利用增量式PID算法進行處理，控制繼電器加熱/制冷，同時在LCD1602液晶顯示屏上進行溫度的實時顯示［7］。主程序流程圖如圖5所示。
4系統測試及分析
測試時實驗室溫度為25℃。將智能溫控杯組裝完畢后，將杯中置滿水，初始測得水溫為20.1℃。選定從60℃~-5℃之間的數值進行測試。實驗過程中，鍵入指定數值進行測試，待LCD顯示數值穩定，不再有較大波動時，記錄下LCD顯示溫度。記錄表格如表1所示［8］。
在測試溫控精度的同時，也對制冷/制熱效率進行了測試，杯內水溫從20℃升溫至60℃只需要10 min，升溫速度比較快，升溫效率較高。將杯內水溫從20℃降至5℃需要40 min，在降溫初期降溫速度比較慢，等溫度降低至一定程度后，降溫速度開始加快，降溫效率較低。通過改進智能溫控杯機械結構可以進一步改善降溫效率［9-11］。
可以看出本系統能夠較精確地控制溫度，動態響應好，超調量小。本系統基本達到了預期的設計目標，具有一定的實際應用價值。
5結論
本文主要基于STM32設計了一款可對杯內水溫進行實時快速有效控制的智能溫控系統。硬件上采用ARM STM32F103作為主控芯片，使電路結構簡單，開發方便靈活，使用DS18B20溫度傳感器測試溫度，提高測量的精確度以及效率。采用PTC和半導體制冷片作為升溫和降溫設備，使溫度的穩定性較高。軟件上采用增量式PID算法，并結合分段控溫思想，在節約系統功耗的同時，達到精確控溫的目的。最后對整個智能溫控系統進行測試與分析，測試結果表明該系統滿足應用需求，具有一定的實際應用價值。
參考文獻
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