基于機(jī)智云的STC單片機(jī)水溫智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

作者簡介：張吉圭（1987—），男，侗族，貴州貴陽，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(yīng)用案例中，抗干擾性和穩(wěn)定性好，控制精度達(dá)到0.1度，產(chǎn)生了工程意義。

隨著控制技術(shù)、測量儀器、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)過程中，應(yīng)用了越來越多先進(jìn)的方法、設(shè)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，為越來越多的機(jī)構(gòu)所重視。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場景，為了保證生產(chǎn)過程正常安全進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，同時減輕工人的勞動強(qiáng)度和節(jié)約能源，及時準(zhǔn)確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時的控制，是許多工業(yè)場合重要的環(huán)節(jié)。一種典型的STC 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制提供了可能。

1   系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括STC 單片機(jī)控制電路、通信電路、液晶顯示電路、加熱驅(qū)動電路、溫度均勻攪拌裝置和無線WiFi 模塊組成的系統(tǒng)硬件裝置。系統(tǒng)硬件模塊連接如圖1 所示。系統(tǒng)軟件主要采用C 語言編寫，通過C語言和Keil 搭建軟件編程環(huán)境，機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺和硬件電路開發(fā)板作為調(diào)試工具來完成系統(tǒng)設(shè)計。

2   關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1系統(tǒng)主控模塊和通信模塊

在智能化控制方案中，系統(tǒng)采用兩個STC 單片機(jī)搭建方案，一個STC 單片機(jī)作為主控制器，負(fù)責(zé)信號的處理、顯示、輸出控制等。另一個STC 單片機(jī)作為通信控制器和ESP8266 無線WiFi 連接，解決通信中通信協(xié)議數(shù)據(jù)量大和控制器RAM 小的問題。其中ESP8266 無線WiFi 器件為核心的數(shù)據(jù)傳輸模塊，連接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)通過通信鏈路實(shí)現(xiàn)傳輸，在機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺上或終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)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(tǒng)工作電源及最小系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)工作電源采用直流穩(wěn)壓電源，利用變壓器把220 V 交流變直流，通過橋式鎮(zhèn)流、濾波、穩(wěn)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 的開關(guān)電源供電。5 V 和3.3 V 的電源分別為STC 單片機(jī)最小系統(tǒng)和ESP8266 無線WiFi 模塊供電，其中STC 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路及下載電路。硬件原理圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作電源及最小系統(tǒng)工作原理圖

2.3 信號采集及電機(jī)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(tǒng)采用直流加熱棒進(jìn)行加熱。在整個加熱和水溫采集環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)采集的溫度點(diǎn)不一樣，得出溫度控制參數(shù)不一致，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，溫度在加熱過程中存在不均勻現(xiàn)象，會有不同溫區(qū)存在。為解決水溫不均勻的現(xiàn)象，設(shè)計一種攪拌裝置，在水溫加熱過程中周期性對加熱區(qū)的水進(jìn)行攪拌，使得DS18B20 能夠采集到較準(zhǔn)確的水溫值，在整定PID 過程中能夠得到更為準(zhǔn)確的PID 參數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)穩(wěn)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(jī)攪拌硬件原理圖

2.4 信號輸出驅(qū)動及液晶顯示電路原理圖

系統(tǒng)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(shè)計一種PWM（脈寬調(diào)制）信號對直流加熱棒的驅(qū)動電壓加熱時間進(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(shè)定溫度的差值通過PID 計算得到的一個控制值，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(qū)動信號，用SSR 單項(xiàng)固態(tài)繼電器設(shè)計了輸出驅(qū)動電路，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，該驅(qū)動電路能夠滿足系統(tǒng)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(shù)據(jù)和溫度設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)溫度曲線的實(shí)時繪制和溫度控制時間的顯示。其硬件原理圖如圖5所示。

圖5 信號輸出驅(qū)動及液晶顯示電路原理圖

3   軟件流程架構(gòu)及算法

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

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計總體流程圖

整體系統(tǒng)軟件設(shè)計是由系統(tǒng)中不同功能模塊整合在一起實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)中包括PWM 輸出程序設(shè)計、PID 溫度控制程序、按鍵掃描程序、液晶顯示驅(qū)動程序、WiFi 模塊通信程序、報警電路、DS18B20 溫度傳感驅(qū)動程序及電機(jī)驅(qū)動攪拌裝置。根據(jù)軟件框架圖，設(shè)計程序流程圖，為程序的功能實(shí)現(xiàn)、算法編碼、軟硬件調(diào)試、后期維護(hù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、易于理解和實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中90% 以上的控制系統(tǒng)回路都具有PID 結(jié)構(gòu)。PID 調(diào)節(jié)將設(shè)定值W 與實(shí)際值y 進(jìn)行比較構(gòu)成偏差，并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。采用PID 控制效果的好壞很大程度上取決于PID 三個控制參數(shù)的確定。PID 控制主要構(gòu)成如圖7 所示。

圖7 模擬PID控制

PID控制的動態(tài)方程為：

其中，K_p 為調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；K_i 為積分時間常數(shù)；K_d 為微分時間常數(shù)。

水溫系統(tǒng)的智能控制采用PID 增量式算法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，采用先比例再積分，最后微分的實(shí)驗(yàn)湊試法進(jìn)行PID 參數(shù)整定。比例系數(shù)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(shù)從小到大調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直到響應(yīng)速度快且有一定范圍的超調(diào)，得出比例系數(shù)。積分部分的整定，如果系統(tǒng)的靜態(tài)差達(dá)不到系統(tǒng)要求，這時需加入積分，整定時積分系數(shù)由大到小逐漸遞減，觀察輸出，直至系統(tǒng)靜態(tài)誤差減小或消除，得出積分系數(shù)。微分系數(shù)的整定，如系統(tǒng)通過比例和積分調(diào)節(jié)都不能達(dá)到要求，需加入微分系數(shù)，同樣，整定時使微分系數(shù)從小到大逐漸增加，觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性，同時微調(diào)比例系數(shù)和微分系數(shù)，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)、超調(diào)量和穩(wěn)定性。通過不斷實(shí)驗(yàn)和整定，電源為200 W 直流加熱系統(tǒng)，加熱0.5 升的純凈水，在溫度變化為20 ℃時，超調(diào)量不超過0.1 ℃，得出PID 的比例系數(shù)為19，積分系數(shù)為0.036，微分系數(shù)為0.8，能夠使PWM 輸出達(dá)到系統(tǒng)控制要求。

智能水溫控制系統(tǒng)，通信部分主要是STC 單片機(jī)之間的通信、STC 單片機(jī)和ESP8266 WiFi 的通信，以及ESP8266 WiFi 和機(jī)智云之間的通信。由于STC 單片機(jī)模擬了PWM 的定時輸出，如果利用串口進(jìn)行通信，會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，為避免這種現(xiàn)象，STC 單片機(jī)之間的通信采用并行口，結(jié)合P15、P16 實(shí)現(xiàn)并口通信協(xié)議，協(xié)議內(nèi)容如表1 所示。STC 單片機(jī)通信控制從P0 端口接收到溫度控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，用串口連接ESP8266WiFi 模塊，ESP8266 WiFi 模塊連接當(dāng)前環(huán)境的路由器熱點(diǎn)，與機(jī)智云服務(wù)器建立TCP 連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時，手機(jī)終端或WEB 終端發(fā)送控制命令，通過命令數(shù)據(jù)→機(jī)智云服務(wù)器→ ESP8266 WiFi → STC 單片機(jī)通信控制→ STC 單片機(jī)控制系統(tǒng)的通信流程，對溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4   實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)軟硬件測試，系統(tǒng)自檢正常，溫度顯示正常，通信正常。設(shè)定STC 單片機(jī)控制水溫在一定范圍內(nèi)，對整體水溫控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，在20 ～ 60 ℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多組設(shè)定，溫度控制實(shí)驗(yàn)效果如圖8 所示。

圖8 溫度控制實(shí)驗(yàn)效果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，每個測試的目標(biāo)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(shù)值記錄得到表2，從而得到標(biāo)度誤差。

5   結(jié)束語

設(shè)計以STC 單片機(jī)結(jié)合增量式PID、PWM 脈寬輸出、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，經(jīng)過綜合調(diào)試和測試，驗(yàn)證了該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，操作方便。由于時間和實(shí)驗(yàn)條件限制，該系統(tǒng)設(shè)計仍有一些缺點(diǎn)和不足，沒有采用更高性能的處理器來完成硬件和軟件設(shè)計，未來有待進(jìn)一步完善。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）