以STM32为主控的温度单反馈控制系统全面解析

设计选用STM32单片机作控制器，设计温度单反馈的控制系统，对电加热水器内水的温度进行控制。通过PT100温度传感器实现对水温信号的采集，并利用模拟量前向通道来对水温信号进行处理。利用STM32单片机进行控制输出PWM信号，用此信号控制接触器进而控制电加热水器的电源通断，最终实现对水温的控制。同时用组态软件设计监控界面来实现对水温的控制显示。通过对此课题的设计，能够使自动化的学生对工业过程控制对象具有更进一步的了解，同时熟练掌握自动化控制系统的设计流程，为以后的工作学习打下坚实基础。

一、控制系统硬件设计

1、控制系统硬件总体设计

温度是一个很重要的变量，需要对其进行准确地控制。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的规律变化。闭环控制是温度控制系统中最为常见类型，本设计即为闭环温度控制系统，闭环温度控制方框图如图1所示。

温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构组成。测量装置对被控电加热水器中水温进行测量，控制器将测量值与给定值进行比较，若存在偏差便由控制器对偏差信号进行处理，输出控制信号给执行机构来启动或停止电加热水器工作，最终将温度调节到设定值。被控对象是电加热水器内水的温度。

基于上述理论设计出本控制系统，本系统硬件主要有：STM32单片机、PT100温度传感器、开关电源、模拟量前向通道、继电器输出模块、HH52P型固态继电器、CJ20-10型接触器、电加热水器，控制系统硬件结构图如图2所示。

2、STM32单片机介绍

STM32单片机是整个温度控制系统的核心部分。因为对温度控制器具有较高的要求，例如高执行速度，高控制精度，高稳定性以及高灵敏度等，所以选择一个具有较高性能而又经济的单片机就成为必然。本设计选用属于STM32系列的STM32F103VET6单片机作为控制电路的核心部件，该单片机属于ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本、低功耗的增强型系列单片机，它的内核采用的是ARM公司最新研发的Cortex-M3架构，该内核是专门设计于满足用户对高性能、低功耗和经济实用的要求。ARM Cortex-M3处理器的架构在系统结构上的增强，使得STM32增强型系列单片机受益无穷，其采用的THUMB-2指令集使得其指令效率更高和而且性能更强。

STM32F103VET6采用薄型四方扁平式封装技术(LQFP)具有100管脚，片内具有512KB的FLASH，64KB的RAM(片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、安全数字输入输出卡SDIO、可变静态存储控制器FSMC等资源)。1个串行外设接口(SPI)总线控制的M25P16(16MB容量的串行FLASH)，用于存储数据、代码、字库及图相等等。1个2.8寸26万色显示屏(TFT 240X320(带触摸屏))接口，利用MCU的FSMC的16位数据接口模式，触摸屏采用ADS7843(4线电阻触摸屏转换接口芯片)芯片用硬SPI接口控制。STM32单片机采用2.0~3.6V的供电电压，可以工作在-40℃~85℃的温度范围内，其最高的工作频率是72MHz，其引脚分布如图3所示。

STM32F103VET6单片机有3个不同的时钟源可供选择用以驱动系统时钟，分别为HIS振荡器时钟、HSE振荡器时钟和PLL时钟。这些设备还具有2个二级时钟源，分别是40KHz的低速内部RC和32.768KHz的低速外部时钟源，可以用来驱动看门狗时钟和RTC。任何一个时钟源在不被使用时，都可以被独立的关闭或者开启，以实现对系统功耗的优化。

单片机由AMS1117-3.3芯片电路供电，输入+5V，提供3.3V的固定电压输出，为了降低电磁干扰，需要经C7-C10滤波后再为CPU供电，R8为DGND与AGND的连接电阻，R9和D5 LED和电源指示连接电阻，电源电路如图4所示。

RTC的备份电源采用VBAT 3.3V 锂离子片状电池，RTC的备份电源如图5所示。