基于STM32的远程温控系统设计

摘要：本文介绍了一种基于STM32的远程温控系统的设计与实现。系统的硬件部分由工控机和以STM32F103为微控制器的温控单元组成，在此基础上设计了基于模糊PID的控制算法及其软件实现。最后，将此系统应用于高温高压水流体-固体相互作用实验装置中，取得了令人满意的控制效果。

关键字：远程温控系统;STM32;模糊PID引言

温度控制是工业控制的主要对象之一，常用的温控数学模型是一阶惯性加上纯滞后环节，但其随着加热对象和环境条件的不同，会存在着较大的差异。因为温控对象这种较为普遍的含有纯滞后环节的特点，容易引起系统超调和持续的振荡，温度控制对象的参数会发生幅度较大的变化。因此无法采用传统的控制方法(如常规的PID控制)对温度进行有效的控制，而智能控制不需要对象的精确数学模型就可以对系统实施控制[1]。温度控制多采用由单片机系统来实现温度控制，其缺点是远程控制系统复杂，可靠性差，特别是当控制点较多、距离较远时，采取总线方式的通讯出错概率较高，影响到温度的控制精度[2]。

目前，多家厂商(如日本导电、岛通)均推出精度可达0.1级的基于PID算法的智能型温控仪表，然而这些公司对其核心技术并不公开，同时也不开放用于系统改进的接口或者代码。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。

　　系统总体方案设计

温度控制系统用于控制电加热炉内的温度，热源为高温电阻丝，采用可控硅电压调整器来进行电加热炉的温度调整，此调整器是通过控制可控硅的导通角而调整输出电压、改变加热体的发热功率、从而达到控制电加热炉温度的目的。

如图1所示，加热炉实时的温度由温控单元采集热电偶转变为电压信号，经温控单元整理后，通过TCP/IP协议将打包后的温度数据传送至工控机端，将此温度的采样值与设定值比较，采取相应的控制算法计算出实时的PID参数，通过网络控制温控单元，温控单元输出4~20mA电流信号至可控硅调压器，对可控硅的导通角的开度进行控制，调整加热炉的温度。采用本方案设计的系统具有结构简单，易于实现的特点。

　　温控单元设计方案

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[3]，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USB 2.0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(MCU)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。

　　控制策略的选择

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[4]。

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