一款基于stm32的畢業(yè)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　設(shè)計(jì)選用STM32 單片機(jī)作控制器，設(shè)計(jì)溫度單反饋的控制系統(tǒng)，對(duì)電加熱水器內(nèi)水的溫度進(jìn)行控制。通過PT100溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫信號(hào)的采集，并利用模擬量前向通道來對(duì)水溫信號(hào)進(jìn)行處理。利用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制輸出PWM信號(hào)，用此信號(hào)控制接觸器進(jìn)而控制電加熱水器的電源通斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。同時(shí)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面來實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制顯示。通過對(duì)此課題的設(shè)計(jì)，能夠使自動(dòng)化的學(xué)生對(duì)工業(yè)過程控制對(duì)象具有更進(jìn)一步的了解，同時(shí)熟練掌握自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，為以后的工作學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　一、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1、控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

　　溫度是一個(gè)很重要的變量，需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確地控制。溫度控制系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規(guī)定的規(guī)律變化。閉環(huán)控制是溫度控制系統(tǒng)中最為常見類型，本設(shè)計(jì)即為閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，閉環(huán)溫度控制方框圖如圖1所示。

　　溫度控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、測量裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測量裝置對(duì)被控電加熱水器中水溫進(jìn)行測量，控制器將測量值與給定值進(jìn)行比較，若存在偏差便由控制器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來啟動(dòng)或停止電加熱水器工作，最終將溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。被控對(duì)象是電加熱水器內(nèi)水的溫度。

　　基于上述理論設(shè)計(jì)出本控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)硬件主要有：STM32單片機(jī)、PT100溫度傳感器、開關(guān)電源、模擬量前向通道、繼電器輸出模塊、HH52P型固態(tài)繼電器、CJ20-10型接觸器、電加熱水器，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　2、STM32單片機(jī)介紹

　　STM32單片機(jī)是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的核心部分。因?yàn)閷?duì)溫度控制器具有較高的要求，例如高執(zhí)行速度，高控制精度，高穩(wěn)定性以及高靈敏度等，所以選擇一個(gè)具有較高性能而又經(jīng)濟(jì)的單片機(jī)就成為必然。本設(shè)計(jì)選用屬于STM32系列的STM32F103VET6單片機(jī)作為控制電路的核心部件，該單片機(jī)屬于ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本、低功耗的增強(qiáng)型系列單片機(jī)，它的內(nèi)核采用的是ARM公司最新研發(fā)的Cortex-M3架構(gòu)，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足用戶對(duì)高性能、低功耗和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。ARM Cortex-M3處理器的架構(gòu)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，使得STM32增強(qiáng)型系列單片機(jī)受益無窮，其采用的THUMB-2指令集使得其指令效率更高和而且性能更強(qiáng)。

　　STM32F103VET6采用薄型四方扁平式封裝技術(shù)（LQFP）具有100管腳，片內(nèi)具有512KB的FLASH，64KB的RAM（片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、安全數(shù)字輸入輸出卡SDIO、可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器FSMC等資源）。1個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）總線控制的M25P16（16MB容量的串行FLASH），用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、代碼、字庫及圖相等等。1個(gè)2.8寸26萬色顯示屏（TFT 240X320（帶觸摸屏））接口，利用MCU的FSMC的16位數(shù)據(jù)接口模式，觸摸屏采用ADS7843（4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片）芯片用硬SPI接口控制。STM32單片機(jī)采用2.0~3.6V的供電電壓，可以工作在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，其最高的工作頻率是72MHz，其引腳分布如圖3所示。

　　STM32F103VET6單片機(jī)有3個(gè)不同的時(shí)鐘源可供選擇用以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘，分別為HIS振蕩器時(shí)鐘、HSE振蕩器時(shí)鐘和PLL時(shí)鐘。這些設(shè)備還具有2個(gè)二級(jí)時(shí)鐘源，分別是40KHz的低速內(nèi)部RC和32.768KHz的低速外部時(shí)鐘源，可以用來驅(qū)動(dòng)看門狗時(shí)鐘和RTC。任何一個(gè)時(shí)鐘源在不被使用時(shí)，都可以被獨(dú)立的關(guān)閉或者開啟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功耗的優(yōu)化。

　　單片機(jī)由AMS1117-3.3芯片電路供電，輸入+5V，提供3.3V的固定電壓輸出，為了降低電磁干擾，需要經(jīng)C7-C10濾波后再為CPU供電，R8為DGND與AGND的連接電阻，R9和D5 LED和電源指示連接電阻，電源電路如圖4所示。

　　RTC的備份電源采用VBAT 3.3V 鋰離子片狀電池，RTC的備份電源如圖5所示。

　　單片機(jī)的外部晶體/陶瓷諧振器（HSE）（P12、P13），Y1是8MHz晶體諧振器，C22、C23 是諧振電容，大小選擇22P。系統(tǒng)的時(shí)鐘經(jīng)過PLL模塊將時(shí)鐘提高到72MHz。單片機(jī)的低速外部時(shí)鐘源（LSE）（P8、P9），Y2為32.768KHz的晶體諧振器，C20、C21 諧振電容選擇22PF。要注意的是根據(jù)ST公司的推薦，Y2要采用電容負(fù)載為6PF的晶振，否則有可能會(huì)出現(xiàn)停振的現(xiàn)象，時(shí)鐘電路如圖6所示

　　目前，STM32單片機(jī)已經(jīng)在很多場合得到應(yīng)用，研制出了很多性能優(yōu)良的產(chǎn)品，例如可編程邏輯控制器，打印機(jī)，掃描儀，電機(jī)控制以及一些數(shù)碼產(chǎn)品，STM32已成為非常成熟的可應(yīng)用控制器件，本次設(shè)計(jì)選用的開發(fā)板如圖7所示。

　　3、硬件接線及其原理介紹

　　溫度控制系統(tǒng)在正常工作的時(shí)候，首先由PT100溫度傳感器檢測被控對(duì)象電加熱水器內(nèi)水的當(dāng)前溫度信號(hào)，將PT100溫度傳感器的電阻值變化在模擬量前向通道中作變換放大、冷端溫度補(bǔ)償、線性化。然后將模擬量前向通道輸出的模擬電壓信號(hào)送給主控模塊的STM32單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)字化處理后與給定的溫度值的數(shù)字量進(jìn)行比較。單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的PID控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過顯示屏顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定值，程序自動(dòng)確定系統(tǒng)是否存在異常，如果系統(tǒng)運(yùn)行正常，將PID運(yùn)算結(jié)果作為輸出控制量控制PWM波形的輸出，控制執(zhí)行器的動(dòng)作，從而達(dá)到接通或者斷開電阻爐主電路的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱水器的控制。單片機(jī)控制水溫的同時(shí)可選擇連接上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，將變量的信息傳給上位機(jī)使用，并將上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)下載到控制器STM32，從而達(dá)到上位機(jī)組態(tài)應(yīng)有的效果。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制回路接線如圖8所示

　　模擬量前向通道使用TI公司生產(chǎn)的TLC7135（也可稱為ICL7135）芯片，加上前級(jí)模擬信號(hào)運(yùn)算放大器的特殊處理，以及一些其它的基本元器件成功地實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)的測量。TLC7135具有以下特性：輸入阻抗高，對(duì)被測電路幾乎沒有影響；能夠自動(dòng)校零；有精確的差分輸入電路；自動(dòng)判別信號(hào)極性；有超、欠壓輸出信號(hào)；采用位掃描（共5位）與BCD碼輸出。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PT100作為溫度傳感器，需要接三根信號(hào)線，其中兩線內(nèi)部短接，信號(hào)經(jīng)單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051選通后，經(jīng)運(yùn)算放大器后得到溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，本次設(shè)計(jì)選擇的處理方法是經(jīng)運(yùn)算放大器的6管腳引出此模擬電壓信號(hào)，直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，模擬量前向通道如圖9所示［6］。

　　繼電器輸出模塊主要用來執(zhí)行STM32輸出的PWM控制信號(hào)，及時(shí)的接通或者斷開后邊的固態(tài)繼電器HH52P和交流接觸器CJ20-10，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器主電路的控制。由于單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)3.3V左右電壓較低，不能直接用來驅(qū)動(dòng)24V的固態(tài)繼電器HH52P，因此需要在其中間加用繼電器輸出模塊，繼電器輸出模塊供電電壓12V，只要有輸入信號(hào)便可以控制線圈的吸合與斷開，繼電器輸出模塊如圖10所示。

　　PT100是鉑熱電阻器，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。常見的PT100感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成［7］。PT100的工作原理：當(dāng)PT100在0℃的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關(guān)系并不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。

　　鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算公式如公式（1）和公式（2）所示。

　　公式中的A，B，系數(shù)為實(shí)驗(yàn)測定。PT100鉑電阻的RT曲線圖如圖11所示

　　PT100電阻隨溫度變化表見表1

　　本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路實(shí)物圖如圖12所示。

　　二、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　1、軟件開發(fā)環(huán)境及其工具

　　C語言編程

　　C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。它既有高級(jí)語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫工作系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序，因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，C程序設(shè)計(jì)語言是一種在國內(nèi)外被廣泛使用的計(jì)算機(jī)編程語言。C語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調(diào)試和維護(hù)。C語言作為一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言得到了廣泛的應(yīng)用，采用C語言編寫的軟件程序不針對(duì)特定的硬件系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的單片機(jī) 做移植，基于C語言的以上諸多特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的軟件程序設(shè)計(jì)，采用C程序設(shè)計(jì)語言［9］。

　　軟件開發(fā)工具介紹

　　編程軟件使用源自德國Keil公司的 RealView MDK，這一款編程軟件被全球超過十萬的嵌入式工程師或者學(xué)者驗(yàn)證和使用，是ARM公司最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。它集成了業(yè)界最領(lǐng)先的技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件工程師所需要的特點(diǎn)和功能，uVision4集成開發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3內(nèi)核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash少些模塊，強(qiáng)大的性能分析功能。其集成開發(fā)環(huán)境如圖13所示。

　　uVision4集成開發(fā)環(huán)境主要的性能：

　　（1）源代碼編輯器的功能非常強(qiáng)大。

　　（2）設(shè)備數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)開發(fā)工具進(jìn)行配置。

　　（3）工程管理器可以用于創(chuàng)建和維護(hù)工程。

　　（4）編譯工具集匯編、編譯、連接過程于一體。

　　（5）用于設(shè)置開發(fā)工具配置的對(duì)話框。

　　（6）真正集成高速CPU及片上外設(shè)模擬器的源碼級(jí)調(diào)試器。

　　（7）高級(jí)GDI接口，可用于目標(biāo)硬件的軟件調(diào)試和ULINK2仿真器的連接。

　　（8）用于下載應(yīng)用程序到Flash ROM中的Flash編程器。

　　（9）完善的開發(fā)工具手冊(cè)、設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)和用戶向?qū)А?/p>

　　2、STM32工程創(chuàng)建與配置

　　經(jīng)過學(xué)習(xí)軟件的編程，對(duì)STM32程序編寫有初步的認(rèn)識(shí)，下面就是創(chuàng)建與配置工程的全部過程。

　　（1）新建一個(gè)文件夾（以后編的每一個(gè)工程都放進(jìn)這個(gè)文件夾里，自己命名，此處所有文件都可以自己命名，例如：STM32 file）。此處所用到的庫函數(shù)版本為V3.5庫函數(shù)版本。

　　（2）創(chuàng)建一個(gè)文件夾（名字可以根據(jù)你編寫的程序來命名，如：Demo）。新建子文件夾User，用于存放用戶源程序。新建子文件夾Project，用戶KEIL工程文件。在Project下依次創(chuàng)建Obj和List子文件夾，存放編譯過程中產(chǎn)生的中間文件。將main.cstm32f10x_conf.h、stm32f10x_it.c、stm32f10x_it.h 、system_stm32f10x.c等文件復(fù)制到User文件下。

　　（3）復(fù)制源代碼到Demo文件夾。

　　將stm32f10x_stdperiph_lib3.5 / Libraries文件夾整體復(fù)制到Demo文件夾下這就是ST的標(biāo)準(zhǔn)庫，是以源代碼形式提供的。也可將Libraries文件夾直接復(fù)制到STM32 file文件夾下，使其與以后創(chuàng)建的其他工程同在一個(gè)目錄下，這樣可使在該目錄在的工程共享Libraries。免得以后創(chuàng)建一個(gè)工程就得復(fù)制一次Libraries。

　　（4）新建一個(gè)Keil MDK工程

　　? 啟動(dòng)Keil MDK，點(diǎn)擊菜單New uVision Project，然后按向?qū)нM(jìn)行操作。選擇CPU類型為STM32F103VE。當(dāng)提示是否復(fù)制啟動(dòng)代碼時(shí)，選擇否。為了延長芯片使用壽命以及加快仿真速度，可以在ram中直接仿真（ram仿真速度快），用ram仿真在斷電之后數(shù)據(jù)就全部丟失了，修改Target名字，添加兩個(gè)，一個(gè)Flash，一個(gè)Ram。

　　? 為了便于代碼管理，在這個(gè)Project下創(chuàng)建幾個(gè)Group，User：存放用戶自己寫的源代碼；RVMDK：存放啟動(dòng)文件（匯編文件）；StdPeriph_Driver：存放ST標(biāo)準(zhǔn)庫文件；CMSIS ：存放CMSIS接口文件（這也是庫的一部分）；創(chuàng)建好Group后，我們開始依次添加文件。添加User：如main.c stm32f 10x_it.c添加RVMDK：statup_stm32f 10x_hd.x；添加StdPeriph_Driver ：我們用到的STM32溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一些.C文件。如：misc.c stm32f 10x_rcc.c stm32f 10x_gpio.c等；添加CMSIS ：core_cm3.c system_stm32f 10x.c。

　　（5）配置工程，點(diǎn)擊“Options”按鈕。

　　? 打開Flash 調(diào)整Flash設(shè)置，切換到Output，然后選擇Object文件夾，在CreateHex File 前打鉤，并將Name Executable修改為output。

　　切換到Listing，選擇Listings文件夾。切換到C/C++，添加兩個(gè)預(yù)編譯宏STM32F10X_HD， USE_STDPERIPH_DRIVER （這是ST庫用到了這兩個(gè)宏），修改Includes路徑。切換到Debug，選擇硬件調(diào)試器，我們選擇ST-Link Debugger，在Run to main前打鉤。切換到Utilities，選擇調(diào)試器類型，我們選擇ST-Link Debugger。

　　? 打開Ram，調(diào)整Ram設(shè)置。切換到target，切換到Output。選擇Object文件夾，在Create Hex File 前打鉤。將Name Executable修改為output。切換到Listing，選擇Listings文件夾。切換到C/C++，選中One ELF Section per Function，添加兩個(gè)預(yù)編譯宏STM32F10X_HD， USE_STDPERIPH_DRIVER（這是ST庫用到了這兩個(gè)宏），修改Includes路徑。這樣就新建一個(gè)工程，我們可以根據(jù)需要自己所要實(shí)現(xiàn)的功能編輯程序。

　　三、軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1、軟件程序結(jié)構(gòu)

　　在深入學(xué)習(xí)STM32編程、PID控制算法、組態(tài)王軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括溫度數(shù)據(jù)的采集變換、PID算法的設(shè)計(jì)、PWM輸出信號(hào)控制以及觸摸屏顯示設(shè)計(jì)、上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)監(jiān)控主畫面、設(shè)計(jì)報(bào)警畫面等。整個(gè)程序系統(tǒng)主要有主控程序、初始化程序、溫度設(shè)定程序、PID設(shè)置程序、溫度采集程序、溫度顯示程序、PID控制算法程序、PWM控制信號(hào)輸出程序和串口通信程序組成，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。 3.2.2 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的主干，處在程序的最頂一層，引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，并且協(xié)調(diào)著各個(gè)程序塊之間的調(diào)用關(guān)系，使硬件系統(tǒng)能正常的工作以完成溫度控制系統(tǒng)任務(wù)，其流程如圖15所示。 3.2.3 初始化程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)上電啟動(dòng)或者復(fù)位時(shí)，對(duì)溫度控制器的硬件和軟件進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)的配置工作，初始化程序主要包括：顯示屏初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O 端口的配置、定時(shí)器初始化。

　　2、溫度采集程序設(shè)計(jì)

　　溫度檢測電路是由PT100溫度傳感器和模擬量前向通道組成的，溫度的檢測由二者直接完成。利用溫度檢測電路得到溫度變化對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)直接由STM32進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)化的數(shù)值與實(shí)際的溫度值之間不是線性關(guān)系，要用DS18B20采集對(duì)應(yīng)溫度值，該溫度值用來校驗(yàn)當(dāng)前溫度是否正確，并用此溫度值對(duì)應(yīng)前向通道輸出的模擬電壓值以擬合數(shù)值與溫度值的曲線，得到他們之間的函數(shù)關(guān)系，本次擬合曲線如圖16所示。

　　曲線直線化是曲線擬合的重要手段之一。對(duì)于某些非線性的資料可以通過簡單的變量變換使之直線化，這樣就可以按最小二乘法原理求出變換后變量的直線方程，在實(shí)際工作中常利用此直線方程繪制資料的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，同時(shí)根據(jù)需要可將此直線方程還原為曲線方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)資料的曲線擬合。最終經(jīng)MATLAB得到曲線公式如公式（3）所示。

　　溫度采集相關(guān)的程序核心代碼如下所示：

　　void filter（void） //模擬量前向通道溫度采集

　　{

　　int sum = 0;

　　u8 count，i;

　　for（i=0;i《12;i++）

　　{

　　for（count=0;count《Sampling_Number;count++）

　　{

　　sum += Conv_AD_Value［count］［i］;

　　}

　　After_filter［i］=sum/Sampling_Number;

　　sum=0;

　　}

　　此程序用來獲取當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)由擬合公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值。

　　3、位置式PID控制算法設(shè)計(jì)

　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制算法的原理是對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使被控量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。因?yàn)镻ID控制算法具有：技術(shù)成熟、容易被人們熟悉和掌握、不需要建立數(shù)學(xué)模型、控制效果好、魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，所以PID控制算法成為應(yīng)用最廣泛的控制算法。

　　單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。由于工業(yè)生產(chǎn)過程大多數(shù)是緩慢變化的過程，因此只要控制機(jī)的采樣周期T取得足夠短，斷續(xù)控制形式就趨于連續(xù)控制形式。數(shù)字PID控制算法又分增量式PID控制算法和位置式PID控制算法，由于位置式PID控制算法控制精度比較高，而增量式PID控制算法有：積分截?cái)嘈?yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大等缺點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)選用的控制算法是位置式PID控制算法。

　　位置式PID控制算式如公式（4）所示。

　　PID控制算法的參數(shù)整定與采樣周期的選取

　　PID控制算法參數(shù)整定的方法很多，概括起來有如下兩大類：

　　（1）理論計(jì)算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。

　　（2）工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制算法參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善。

　　本文采用經(jīng)驗(yàn)法整定PID控制算法參數(shù)，下面具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：

　　（1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。

　　（2）取比例系數(shù)P為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。

　　（3）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。

　　（4）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。

　　經(jīng)驗(yàn)法簡單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整定時(shí)易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID控制算法時(shí)，由于有多個(gè)整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。

　　需要注意的是：本設(shè)計(jì)所用到PID控制算法的參數(shù)與的工業(yè)上PID控制算法的參數(shù)有所不同，工業(yè)中由于對(duì)象的體積大、容量大、控制室距離現(xiàn)場較遠(yuǎn)等因素，所以其PID控制算法的參數(shù)普遍比本設(shè)計(jì)的大。書上、參考資料上的的PID控制算法的參數(shù)多數(shù)都是從工業(yè)生產(chǎn)過程中得來的，因此此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不適應(yīng)作本設(shè)計(jì)PID控制算法的參數(shù)。

　　采樣周期的選取，按一定的時(shí)間間隔T，把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的信號(hào)，轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0、T2、…、kT的一連串脈沖輸出信號(hào)的過程稱為采樣過程。執(zhí)行采樣動(dòng)作的開關(guān)S稱為采樣開關(guān)或采樣器采樣后的脈沖序列??ty*稱為采樣信號(hào)，采樣器的輸入信號(hào)??ty稱為原始信號(hào)，采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔T稱為采樣周期。采樣信號(hào)??ty在時(shí)間上是離散的，但在幅值上仍是連續(xù)的，所以采樣信號(hào)是一個(gè)離散的模擬信號(hào)。信號(hào)采樣過程如圖18所示。

　　從信號(hào)的采樣過程可知，經(jīng)過采樣不是取全部時(shí)間上的信號(hào)值，而是取某些時(shí)間上的值。這樣處理會(huì)不會(huì)造成信號(hào)丟失呢？香農(nóng)采樣定理指出：如果模擬信號(hào)（包括干擾在內(nèi)）頻譜最高頻率為maxf，只要按照采樣頻率max2ff?進(jìn)行采樣，那么采樣信號(hào)??ty*就能惟一的復(fù)觀??ty。采樣定理給出了??ty*能惟一的復(fù)觀??ty所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取??max105ff??，甚至更高。

　　4、采樣周期的確定需要注意以下事項(xiàng)：

　　（1）從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時(shí)間。

　　（2）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。

　　（3）從單片機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來看，一般要求采樣周期大些。

　　（4）從單片機(jī)的精度看，過短的采樣周期是不合適的。

　　經(jīng)過多次調(diào)試設(shè)置，采樣周期T選為1s采樣效果最好，且信號(hào)采樣不失真。

　　5、 PWM輸出程序設(shè)計(jì)

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中［14］。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。

　　通過單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)控制固態(tài)繼電器的通斷，通過改變一定時(shí)間內(nèi)通過的交流波頭數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱水器內(nèi)水溫的控制，我國公共電力網(wǎng)的頻率均為50HZ，周期也就是0.02秒，設(shè)置 PWM 信號(hào)的輸出周期為4秒，即STM32單片機(jī)以0.25Hz的頻率輸出PWM，改變PWM的占空比，在4秒的周期內(nèi)，當(dāng)PID算法的控制量大于100時(shí)，通過交流電源的最大周期波數(shù)是100，當(dāng) PID 算法的控制量小于0時(shí)，最小周期波數(shù)是0，當(dāng)控制量在0~100之間時(shí)，就按比例換算進(jìn)行確定PWM輸出信號(hào)的占空比。STM32單片機(jī)具有多個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以獨(dú)立的輸出PWM信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的TIM3定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在PB5 引腳輸出PWM，PWM輸出流程如圖19所示。

　　四、上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

　　1、上位機(jī)監(jiān)控軟件的選取

　　組態(tài)王（Kingview）由北京亞控自動(dòng)化軟件有限公司開發(fā)的，該軟件由中國科技大學(xué)學(xué)士、清華大學(xué)碩士林偉總設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)十位工程師歷時(shí)五年開發(fā)成功，是最優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件，居全國同類軟件產(chǎn)銷量第一。組態(tài)王是一個(gè)具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。應(yīng)用組態(tài)王可以使工程師把精力放在控制對(duì)象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、復(fù)雜的圖形處理、枯燥的數(shù)字統(tǒng)計(jì)。只需要進(jìn)行填表操作，即可生成適合于用戶的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。可以在整個(gè)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部將各種系統(tǒng)和應(yīng)用集成在一起，實(shí)現(xiàn)“廠際自動(dòng)化”的最終目標(biāo)。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。組態(tài)軟件以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、界面簡單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。

　　2、組態(tài)王軟件組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

　　使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法：

　　（1）圖形界面的設(shè)計(jì)；

　　（2）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫；

　　（3）建立動(dòng)畫連接；

　　（4）運(yùn)行和調(diào)試。

　　根據(jù)以上控制方案的確定，本次設(shè)計(jì)組態(tài)王監(jiān)控界面如圖20所示

　　定義數(shù)據(jù)變量見表2。

　　選擇設(shè)備的相關(guān)配置如下：

　　設(shè)備名稱：通用單片機(jī)ASCII；

　　通信描述：串口；

　　邏輯名稱：STM32；

　　選擇串口號(hào)：COM4；

　　設(shè)備地址：1.0。

　　動(dòng)態(tài)連接，參數(shù)動(dòng)態(tài)連接設(shè)置見表3。

　　3、報(bào)警和事件窗口設(shè)計(jì)

　　運(yùn)行報(bào)警時(shí)間記錄是監(jiān)控軟件必不可少的功能，“組態(tài)王”提供了強(qiáng)有力的支持和簡單的控制運(yùn)行報(bào)警和時(shí)間記錄方法。

　　組態(tài)王中的報(bào)警和事件主要包括變量報(bào)警事件、操作事件、用戶登陸事件和工作站事件。通過這些報(bào)警和事件，用戶可以方便地記錄和查看系統(tǒng)的報(bào)警、操作和各個(gè)工作站的運(yùn)行情況。當(dāng)報(bào)警和事件發(fā)生時(shí)，在報(bào)警窗中會(huì)按照設(shè)置的過濾條件實(shí)時(shí)的顯示出來［16］。定義報(bào)警組，本次建立報(bào)警畫面如圖21所示。

　　五、系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及問題分析

　　1、運(yùn)行結(jié)果及分析

　　經(jīng)過多次的參數(shù)設(shè)置的調(diào)試，對(duì)比各組設(shè)置參數(shù)的調(diào)節(jié)效果得出：當(dāng)程序中PID設(shè)置參數(shù)如表4所示參數(shù)時(shí)控制效果最好。

　　總結(jié)：本系統(tǒng)的控制核心算法是PID控制算法，難點(diǎn)是PID參數(shù)整定。圖22為系統(tǒng)運(yùn)行曲線的初始溫度50℃，設(shè)定溫度60℃時(shí)的結(jié)果，經(jīng)過9分鐘的調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度，穩(wěn)態(tài)誤差為0.4℃，超調(diào)量幾乎為零。本設(shè)計(jì)中溫度能達(dá)到設(shè)定溫度，而且超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)效果很好。