基于STM32的温度控制实验设计

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当温度传感器被放在-55 ℃的环境中时，计数器1的计数速度对应了一个预设的数值。对温度灵敏度较小的晶体振荡器的每一个发出的信号作用在计数器1上都会使它进行一次自减1的操作，如果计数器1中存储的数值最终变成了0，存放温度值的存储器就进行一次自加1操作。然后计数器1内将重新写入设置的对应-55 ℃的数值。循环进行直到计数器2中存储的值减小到0。而存放温度值的存储器中的值就是此时的温度值。斜率累加器作为对测量过程中的曲线进行线性化校正，方式是通过对计数器1的基础数值进行修正实现的。实验中通过对STM32单片机的编程，运用卡尔曼滤波的方式修正测温数值，理论测温精度可达±0.1 ℃。DS18B20温度传感器使用方便，但如果想要让DS18B20温度传感器的测量精确程度达到比较理想的水平，I/O端口一定要保证在温度传感器工作时，被提供足够多的能量。所以需要通过一个1.7 kΩ的电阻与STM32F429单片机的VE端相连，保证工作时有稳定的大于1 mA的电流输入。温度传感器电路如图3所示。

中间数据端口连接在单片机控制器的B10端口，以串行方式输入给单片机12 b的温度信号。DS18B20的温度数据如表1所示。

表1 DS18B20的温度表

这是数字转化后的数据，存储在两个8 b的RAM中，二

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进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘以0.062 5即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到实际温度。例如125 ℃的数字输出为07D0H，-25.062 5 ℃的数字输出为FE6FH。正、负温度要把数值由十六进制转为十进制。例如输入的数据是00FA，则代表着温度为（15×16+10）×0.062 5=15.62 ℃，例如输入的数据是0032H，则代表着温度为（3×16+2）×（-0.062 5）=-3.125 ℃。

2.3 人机交互模块设计

本模块应用2.4英寸TFT显示屏进行温度数值的实时显示、设定值参考、PWM占空比显示、KP隶属度显示等功能。配合按键一同完成温度设置与控制状态显示的功能实现。采用单片机开发版中自带的彩屏，并不需要外加任何电路设计就可以直接编程使用[5]。TFT彩色显示屏的所有数据传送和获取过程都由其内部的运算器主导，例如在左上角显示一个点，这个点的坐标就是X0，Y0。TFT彩色显示屏的控制器，需要首先通过18位数据接口发送x坐标给LCD执行元件，再发送y坐标给LCD，最后发送18位数据组成颜色代码给CLD。这样，LCD屏幕上就会在左上角第一个点显示出来相应的颜色。无论是一幅图片还是一个视频都是按照这个方式来显示的。常规的小型TFT显示屏有一个18位数据接口，18

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根线用来设定要显示的点的x，y坐标、以及显示哪种颜色、同时还可以用来设定LCD的功能状态。 2.4 加热模块设计

加热模块由PWM波驱动一块加热片进行温度控制，利用STM32F429内部PWM脉宽调制模块驱动加热片控制温度变化。当PWM的占空比为100%时，经过PWM驱动模块输出的直流电压为12 V，如果占空比为50%，那么输出电压就是6 V直流电压。

电阻丝发热量过大，需要的驱动电流常常高达10 A以上，如不加装电气隔离，稍不注意就会损坏控制器。而且电阻丝的发热难以控制，由于加热时电阻丝存在很强的非线性特性，故采用XH?RJ101012的陶瓷加热片作为被控对象。采用L6203桥式整流驱动器把输入的模拟PWM脉宽调制信号整流成稳定的直流电压信号输出。实验中为DMOS全桥直流驱动器，OUT1和OUT2之间接陶瓷加热片，ENABLE=1时，将PWM信号给IN1，PWM信号反向后给IN2，这样调整PWM即可改变加热片的加热功率。加热片额定电压为10 V，最大电压为38 V，额定功率为5 W，电阻为20 Ω。PWM驱动模块原理如图4所示。 3 温度控制器设计

温度控制是一个具有时变性和滞后性的复杂系统，而且很难建立它的精确数学模型，实验模块选用模糊自适应PID

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控制算法，将传统PID控制策略与模糊控制理论相结合，既不需要依赖精确的系统模型，又能显著提高调节精度和速率。温度控制系统设计的核心，就是对其中起到控制器作用的模糊PID的模糊逻辑与模糊规则进行设置和调试。模糊控制器的结构主要由模糊化处理模块、模糊控制规则模块、模糊推理机制和解模糊模块组成。在PID调节中，静态误差的大小由比例系数决定，比例系数KP越大，静态误差越小。但KP过大时，会使振荡次数增加，调节时间延长，稳定性变差，比例系数调节要以系统稳定性为界限；引入积分环节改善低频特性，当闭环系统稳定时，加入会提升系统的开环型别；微分环节影响动态响应速度和稳定性[6]。故通过预测出的反映偏差信号变化率的信号缩短调节时间且加速系统的动态速度，显著改善了控制系统的稳定性能和响应速度。找出PID三个控制参数KP，KI，KD与输入量e，ec之间的模糊关系，实现三个控制参数的在线修正。解模糊方式是最小面积重心法，利用模糊变量和模糊规则表，经由模糊推理策略得出输出控制量KP，KI，KD，控制信号的输出量，得到的PWM占空比。模糊逻辑使用误差和误差变化率作为输入变量，同时对其进行实时监控保证被控对象具有良好性能。实验中自适应模糊控制过程如图5所示。 4 实验结果及分析 控制模块中只要适当改变温控模块软件里面的控制参数或通过上位机设置，系统就能发挥很好的控制功能。实验

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