STM32水溫控制系統(tǒng)硬件詳解

系統(tǒng)主要組成;鉑金測溫驅(qū)動電路(恒流源實現(xiàn)),市電電壓過零檢測電路.功率驅(qū)動電路(固態(tài)繼電器實現(xiàn)),小信號放大電路(儀用運放實現(xiàn)),STM32單片機(jī)最小系統(tǒng).500W水溫加熱管.

1,鉑金電阻測溫驅(qū)動電路

驅(qū)動PT100鉑金測溫電阻.和電阻橋原理相似.利用1MA精密恒流源加在鉑金電阻一端,另一端接地.用另一個1MA精密恒流源加在精密100歐姆電阻一端,另一端接地.(選擇100歐姆,是因為PT100在零度時電阻值是100歐姆)

這是鉑金電阻驅(qū)動電路，R3是鉑金電阻，當(dāng)溫度變化時電阻會發(fā)生變化，從而影響VF1和VF2之間壓差不為零。分別作為INA128儀表放大器的輸入端（儀表放大器的優(yōu)點是輸入阻抗非常高，共模抑制比好，非常適合橋式電路）。經(jīng)過放大輸出差模信號。但是其輸入的共模信號比較窄，最大也只能到達(dá)電源電壓附近，此時可以通過調(diào)節(jié)Ref端調(diào)節(jié)輸出電壓。再用OPA335完成10倍的放大工作使其輸出在合適的范圍，方便AD采集。

2，驅(qū)動電阻橋的是1毫安的電流源，必須選用精密電流源。保證電阻的變化不影響電流源的電流，如果不是精密電流源，那么電阻的變化就不能真正反應(yīng)溫度的變化，影響整個系統(tǒng)的精度。我選用的是HowLand電流泵

這是1mA的電流源，經(jīng)過試驗搭建非常穩(wěn)定，適合用來驅(qū)動橋式測溫電路。

3，電熱絲驅(qū)動電路，用的是固態(tài)繼電器。性能穩(wěn)定，但價格較貴。在調(diào)節(jié)加熱功率時用的過零檢測電路，通知單片機(jī)進(jìn)入中斷，調(diào)節(jié)繼電器通斷時間，控制導(dǎo)通角，從而控制加熱功率。其實可以不用過零檢測，這里用到是因為這里用過零檢測，可以精確地調(diào)整輸入功率，控制更精確，對電網(wǎng)沖擊更小。使整個系統(tǒng)工作更穩(wěn)定。

4，溫度控制算法，在控制領(lǐng)域因為水是滯后性比較嚴(yán)重的介質(zhì)。在加熱功率的控制上，必須采用一定的算法控制，這里采用PID控制算法，簡單易行。通過調(diào)節(jié)比例，積分，微分常數(shù)，控制功率，避免超調(diào)。下面是程序算法模型

structPID{

unsignedintSetPoint;//設(shè)定目標(biāo)DesiredValue

unsignedintProportion;//比例常數(shù)ProportionalConst

unsignedintIntegral;//積分常數(shù)IntegralConst

unsignedintDerivative;//微分常數(shù)DerivativeConst

unsignedintLastError;//Error[-1]

unsignedintPrevError;//Error[-2]

unsignedintSumError;//SumsofErrors

};

//PID處理函數(shù)

//=====================================================================================================*/

unsignedintPIDCalc(structPID*pp,unsignedintNextPoint)

{

unsignedintdError,Error;

Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差

pp->SumError+=Error;//積分

dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當(dāng)前微分

pp->PrevError=pp->LastError;

pp->LastError=Error;

return(pp->Proportion*Error//比例項

+pp->Integral*pp->SumError//積分項

+pp->Derivative*dError);//微分項

}

此模型容易在單片機(jī)上實現(xiàn)，性能較好。經(jīng)過實際驗證符合較高的要求。對于各個參數(shù)的選取，我才用的是配湊發(fā)，根據(jù)效果來不斷調(diào)整參數(shù)，最終調(diào)到合適的參數(shù)。

5，最后一點是AD采集的基準(zhǔn)電壓源也很重要，直接影響采樣精度，如果可以盡量選用專用的基準(zhǔn)電壓源芯片，控制AD采樣誤差。

以上是整個水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計要點，比較簡單。但是對于理解PID控制有很大幫助，還有儀用運放的使用和電流源的使用橋式電路的使用。硬件和軟件都達(dá)到一定的鍛煉效果。