基于機智云的STC單片機水溫智能控制系統的設計與實(shí)現

作者簡(jiǎn)介：張吉圭（1987—），男，侗族，貴州貴陽(yáng)，講師，工程師，研究方向：嵌入式技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

摘要：在實(shí)際的應用案例中，抗干擾性和穩定性好，控制精度達到0.1度，產(chǎn)生了工程意義。

隨著(zhù)控制技術(shù)、測量?jì)x器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在石油、能源、電力及化工生產(chǎn)過(guò)程中，應用了越來(lái)越多先進(jìn)的方法、設備和控制測量技術(shù)。在眾多的先進(jìn)測量控制技術(shù)中，如何高精度控制水溫成為焦點(diǎn)課題之一，為越來(lái)越多的機構所重視。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)景，為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數量，同時(shí)減輕工人的勞動(dòng)強度和節約能源，及時(shí)準確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時(shí)的控制，是許多工業(yè)場(chǎng)合重要的環(huán)節。一種典型的STC 單片機控制系統結合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現溫度的遠程監測和控制，為實(shí)現水溫的智能化控制提供了可能。

1   系統總體設計

系統硬件包括STC 單片機控制電路、通信電路、液晶顯示電路、加熱驅動(dòng)電路、溫度均勻攪拌裝置和無(wú)線(xiàn)WiFi 模塊組成的系統硬件裝置。系統硬件模塊連接如圖1 所示。系統軟件主要采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)C語(yǔ)言和Keil 搭建軟件編程環(huán)境，機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺和硬件電路開(kāi)發(fā)板作為調試工具來(lái)完成系統設計。

2   關(guān)鍵電路設計

2.1系統主控模塊和通信模塊

在智能化控制方案中，系統采用兩個(gè)STC 單片機搭建方案，一個(gè)STC 單片機作為主控制器，負責信號的處理、顯示、輸出控制等。另一個(gè)STC 單片機作為通信控制器和ESP8266 無(wú)線(xiàn)WiFi 連接，解決通信中通信協(xié)議數據量大和控制器RAM 小的問(wèn)題。其中ESP8266 無(wú)線(xiàn)WiFi 器件為核心的數據傳輸模塊，連接機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，數據通過(guò)通信鏈路實(shí)現傳輸，在機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺上或終端進(jìn)行數據監測。其硬件原理圖如圖2所示。

圖2 主控模塊和通信模塊硬件原理圖

2.2 系統工作電源及最小系統工作原理圖

系統工作電源采用直流穩壓電源，利用變壓器把220 V 交流變直流，通過(guò)橋式鎮流、濾波、穩壓器件LM7805 和LM1117RS-3.3 分別得到5 V 和3.3 V 的工作電源。直流加熱電源采用集成24 V/200 W 的開(kāi)關(guān)電源供電。5 V 和3.3 V 的電源分別為STC 單片機最小系統和ESP8266 無(wú)線(xiàn)WiFi 模塊供電，其中STC 單片機最小系統包括電源電路、復位電路、時(shí)鐘電路及下載電路。硬件原理圖如圖3 所示。

圖3 系統工作電源及最小系統工作原理圖

2.3 信號采集及電機攪拌原理圖

溫度采集采用DS18B20 傳感器對水溫進(jìn)行采集，加熱系統采用直流加熱棒進(jìn)行加熱。在整個(gè)加熱和水溫采集環(huán)節，發(fā)現采集的溫度點(diǎn)不一樣，得出溫度控制參數不一致，經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗和發(fā)現，溫度在加熱過(guò)程中存在不均勻現象，會(huì )有不同溫區存在。為解決水溫不均勻的現象，設計一種攪拌裝置，在水溫加熱過(guò)程中周期性對加熱區的水進(jìn)行攪拌，使得DS18B20 能夠采集到較準確的水溫值，在整定PID 過(guò)程中能夠得到更為準確的PID 參數，進(jìn)而提高系統穩定性和可靠性。硬件原理圖如圖4 所示。

圖4 信號采集及電機攪拌硬件原理圖

2.4 信號輸出驅動(dòng)及液晶顯示電路原理圖

系統采用24 V/200 W 直流電對加熱棒進(jìn)行加熱，加熱棒的溫度直接影響水的溫度，因此控制加熱棒溫度就能控制水的溫度。設計一種PWM（脈寬調制）信號對直流加熱棒的驅動(dòng)電壓加熱時(shí)間進(jìn)行控制，進(jìn)而控制加熱的熱能，PWM 信號是實(shí)際溫度與設定溫度的差值通過(guò)PID 計算得到的一個(gè)控制值，能夠精確控制溫度信號。為使控制器的PWM 輸出能夠控制24 V/200 W 的驅動(dòng)信號，用SSR 單項固態(tài)繼電器設計了輸出驅動(dòng)電路，經(jīng)反復實(shí)驗表明，該驅動(dòng)電路能夠滿(mǎn)足系統的要求。其顯示部分用帶中文字庫的字符液晶ST7920 控制的12864 顯示溫度數據和溫度設定，并實(shí)現溫度曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)繪制和溫度控制時(shí)間的顯示。其硬件原理圖如圖5所示。

圖5 信號輸出驅動(dòng)及液晶顯示電路原理圖

3   軟件流程架構及算法

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，STC單片機的功能越來(lái)越強大，有代表性的編譯軟件有Keil、IAR、CodeWarrior 等。代碼語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言、C 語(yǔ)言、Java 語(yǔ)言等。C 語(yǔ)言具有良好的邏輯及功能性，本次設計選擇STC單片機作為主控制器，編程語(yǔ)言選用C 語(yǔ)言，編譯軟件選用軟件Keil。

3.1 系統軟件設計總體流程圖

整體系統軟件設計是由系統中不同功能模塊整合在一起實(shí)現系統功能。系統中包括PWM 輸出程序設計、PID 溫度控制程序、按鍵掃描程序、液晶顯示驅動(dòng)程序、WiFi 模塊通信程序、報警電路、DS18B20 溫度傳感驅動(dòng)程序及電機驅動(dòng)攪拌裝置。根據軟件框架圖，設計程序流程圖，為程序的功能實(shí)現、算法編碼、軟硬件調試、后期維護提供條件。程序總體流程圖如圖6 所示。

圖6 程序總體流程圖

3.2 系統核心控制和通信算法理論

PID 溫度控制是一種成熟技術(shù)，具有結構簡(jiǎn)單、易于理解和實(shí)現的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中90% 以上的控制系統回路都具有PID 結構。PID 調節將設定值W 與實(shí)際值y 進(jìn)行比較構成偏差，并將其比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量。采用PID 控制效果的好壞很大程度上取決于PID 三個(gè)控制參數的確定。PID 控制主要構成如圖7 所示。

圖7 模擬PID控制

PID控制的動(dòng)態(tài)方程為：

其中，K_p 為調節器的比例放大系數；K_i 為積分時(shí)間常數；K_d 為微分時(shí)間常數。

水溫系統的智能控制采用PID 增量式算法，根據實(shí)驗結果和數據，采用先比例再積分，最后微分的實(shí)驗湊試法進(jìn)行PID 參數整定。比例系數的整定取消積分和微分的作用，采用純比例控制，將比例系數從小到大調節，觀(guān)察系統的響應，直到響應速度快且有一定范圍的超調，得出比例系數。積分部分的整定，如果系統的靜態(tài)差達不到系統要求，這時(shí)需加入積分，整定時(shí)積分系數由大到小逐漸遞減，觀(guān)察輸出，直至系統靜態(tài)誤差減小或消除，得出積分系數。微分系數的整定，如系統通過(guò)比例和積分調節都不能達到要求，需加入微分系數，同樣，整定時(shí)使微分系數從小到大逐漸增加，觀(guān)察超調量和穩定性，同時(shí)微調比例系數和微分系數，觀(guān)察系統的輸出響應、超調量和穩定性。通過(guò)不斷實(shí)驗和整定，電源為200 W 直流加熱系統，加熱0.5 升的純凈水，在溫度變化為20 ℃時(shí)，超調量不超過(guò)0.1 ℃，得出PID 的比例系數為19，積分系數為0.036，微分系數為0.8，能夠使PWM 輸出達到系統控制要求。

智能水溫控制系統，通信部分主要是STC 單片機之間的通信、STC 單片機和ESP8266 WiFi 的通信，以及ESP8266 WiFi 和機智云之間的通信。由于STC 單片機模擬了PWM 的定時(shí)輸出，如果利用串口進(jìn)行通信，會(huì )出現不穩定現象，為避免這種現象，STC 單片機之間的通信采用并行口，結合P15、P16 實(shí)現并口通信協(xié)議，協(xié)議內容如表1 所示。STC 單片機通信控制從P0 端口接收到溫度控制器傳輸的數據后，用串口連接ESP8266WiFi 模塊，ESP8266 WiFi 模塊連接當前環(huán)境的路由器熱點(diǎn)，與機智云服務(wù)器建立TCP 連接，進(jìn)行數據傳輸。同時(shí)，手機終端或WEB 終端發(fā)送控制命令，通過(guò)命令數據→機智云服務(wù)器→ ESP8266 WiFi → STC 單片機通信控制→ STC 單片機控制系統的通信流程，對溫度進(jìn)行遠程監控。

4   實(shí)驗數據結果

根據軟硬件測試，系統自檢正常，溫度顯示正常，通信正常。設定STC 單片機控制水溫在一定范圍內，對整體水溫控制系統進(jìn)行測試，在20 ～ 60 ℃范圍內實(shí)現多組設定，溫度控制實(shí)驗效果如圖8 所示。

圖8 溫度控制實(shí)驗效果

通過(guò)實(shí)驗結果分析，每個(gè)測試的目標溫度反映實(shí)際和誤差，在相同測試環(huán)境下，將溫度計和溫度采集模塊所測得溫度進(jìn)行比對，將數值記錄得到表2，從而得到標度誤差。

5   結束語(yǔ)

設計以STC 單片機結合增量式PID、PWM 脈寬輸出、機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，完成了系統軟硬件設計，經(jīng)過(guò)綜合調試和測試，驗證了該遠程控制系統軟硬件設計結構合理，性能可靠，操作方便。由于時(shí)間和實(shí)驗條件限制，該系統設計仍有一些缺點(diǎn)和不足，沒(méi)有采用更高性能的處理器來(lái)完成硬件和軟件設計，未來(lái)有待進(jìn)一步完善。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）