基于PID的STM32恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計參考模板

1、成績評定序號成績評審項目指 標(biāo)評分1學(xué)習(xí)態(tài)度遵守紀(jì)律，學(xué)習(xí)認(rèn)真；作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，踏實肯干；善于與他人合作。202設(shè)計作品所設(shè)計作品能夠運(yùn)行，功能完整，設(shè)計指標(biāo)符合要求，作品能體現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)單片機(jī)知識的綜合運(yùn)用，有一定的創(chuàng)新。403設(shè)計報告系統(tǒng)設(shè)計方案科學(xué)、合理；數(shù)據(jù)采集、計算、處理方法正確。10系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計正確，分析合理，且與描述相一致，程序可靠運(yùn)行，結(jié)論正確。20設(shè)計報告文本質(zhì)量符合要求，格式規(guī)范，文理通順。10成績I / 12基于PID的STM32恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要研究基于STM32單片機(jī)和溫濕度傳感器的恒溫智能控制系統(tǒng)。溫度具有時變性、非線性和多變量耦合的特點(diǎn)。在溫度控制過程中，溫度

2、的檢測往往滯后于溫度的調(diào)控，從而會引起溫度控制系統(tǒng)的溫度出現(xiàn)超調(diào)、溫度振蕩的現(xiàn)象。在設(shè)計中提出了基于增量式PID算法控制溫度的模型，系統(tǒng)采用低功耗的STM32作為主控芯片、DHT11數(shù)字式溫度傳感器和半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)器。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地維持系統(tǒng)地恒溫狀態(tài)。通過將數(shù)字PID算法和STM32單片機(jī)結(jié)合使用，整個控制系統(tǒng)的溫度控制精度也提高了，不僅僅滿足了對溫度控制的要求，而且還可以應(yīng)用到對其他變量的控制過程中。所以，在該溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，運(yùn)用單片機(jī)STM32進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：STM32，PID算法，恒溫控制，D

3、HT11 1緒論溫度控制系統(tǒng)具有滯后性，時變性和非線性的特點(diǎn)。無法建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，因此使用常規(guī)的線性控制理論無法達(dá)到滿意的控制效果。在嵌入式溫度控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵是溫度的測量、溫度的控制和溫度的保持，溫度是工業(yè)控制對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，嵌入式要對溫度的測量則是對溫度進(jìn)行有效及準(zhǔn)確的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得廣泛的應(yīng)用，尤其在機(jī)械制造、電力工程化工生產(chǎn)、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測量任務(wù)。在日常工作和生活中，也被廣泛應(yīng)用于空調(diào)器、電加熱器等各種室溫測量及工業(yè)設(shè)備的溫度測量。但溫度是一個模擬量，需要采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才生使用計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的

4、處理。2 設(shè)計方案為了對于交流負(fù)載做到溫度精確,升溫采用控制雙向可控硅導(dǎo)通角度進(jìn)行升溫控制。降溫采用PWM電壓控制，因為當(dāng)前降溫采用制冷片，風(fēng)扇等降溫手段，采用直流電壓供電方式，選用PWM控制使降溫更加精確。溫度采集選用溫度傳感器DHT11，好處為可做到高精度，整體框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框圖3硬件設(shè)計3.1 DHT11溫度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有枀高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。DHT11電路圖如圖

5、2所示。圖2 HT11電路圖DHT11是通過單總線與微處理器通訊，只需要一根線，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) + 8bint溫度整數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit校驗位校驗算法：將濕度、溫度的整數(shù)小數(shù)累加，只保留低8位。微處理器(M0)與DHT11通信約定：主從結(jié)構(gòu)，DHT11為從機(jī)，M0作為主機(jī)， 只有主機(jī)呼叫從機(jī)，從機(jī)才能應(yīng)答。詳細(xì)流程：M0發(fā)送起始信號 -> DHT響應(yīng)信號 -> DHT通知M0準(zhǔn)備接受信號 -> DHT發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù) -> DHT結(jié)束信號-> DHT內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度

6、數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)等待下一次M0的起始信號。由流程可知，每一次M0獲取的數(shù)據(jù)總是DHT上一次采集的數(shù)據(jù)，要想得到實時的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次獲取即可，官方不建議連續(xù)多次讀取DHT，每次讀取的間隔時間大于5秒就足夠獲取到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，上電時DHT需要1S的時間穩(wěn)定。3.2LCD屏幕顯示TFT-LCD 又叫做薄膜晶體管液晶顯示器，其管腳圖如圖3所示，其管腳在STM32F103中有相應(yīng)的管腳對應(yīng)。常用的液晶屏接口很多種，8 位、 9 位、16位、18 位都有。而常用的通信模式呢，主要有 6800 模式和 8080 模式兩種，今天呢，我們來講的是 8080 模式。如果大家接觸過 LCD1602 或者 LCD1286

7、4 等，那么就會發(fā)現(xiàn) 8080 模式的時序呢，其實跟 LCD1602 或者 LCD12864 的讀寫時序是差不多的。8080 接口有 5 條基本的控制線和多條數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線的數(shù)量主要看液晶屏使用的是幾位模式，有 8 根、9 根、16 根、18 根四種類型。圖3 LCD引腳圖3.3 STM32單片機(jī)在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導(dǎo)體已經(jīng)推出STM32基本型系列、增強(qiáng)型系列、USB基本型系列、互補(bǔ)型系列;新系列產(chǎn)品沿用增強(qiáng)型系列的72MHz處理頻率。內(nèi)存包括64KB到256KB閃存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和

8、LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結(jié)合STM32平臺的設(shè)計理念，開發(fā)人員通過選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應(yīng)用需求。內(nèi)核:ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。存儲器:片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。時鐘、復(fù)位和電源管理:2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓。上電復(fù)位(POR)、掉電復(fù)位(PDR)和可編程的電壓探測器(PVD)。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40

9、 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。低功耗:3種低功耗模式:休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調(diào)試模式:串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口。DMA:12通道DMA控制器。支持的外設(shè):定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道):A/D測量范圍:0-3.6V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器:STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨(dú)有。最多高達(dá)112個的快速I/O端口:根據(jù)型號的不同，有26，37，51，80，和

10、112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。最多多達(dá)11個定時器:4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器:最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器(獨(dú)立看門狗和窗口看門狗)。Systick定時器:24位倒計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。最多多達(dá)13個通信接口:2個IIC接口(SMBus/PMBus)。5個USART接口(ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制)。3個SPI接口(18 Mbit/s)，兩個和IIS復(fù)用。CAN接口(2.0B)。

11、USB 2.0全速接口。SDIO接口。ECOPACK封裝:STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封裝形式。4 軟件設(shè)計4.1 軟件流程圖 寫出軟件流程圖，并附加文字說明。本次軟件的編寫是在keil5上進(jìn)行，界面如圖X，并在編寫后生成.Hex文件，然后用燒寫軟件FlyMcu（界面如圖X）將.Hex文件燒寫在開發(fā)版上，流程如圖X。圖X keil5軟件界面圖X 燒寫流程圖圖X 燒寫軟件本程序軟件功能是使用DHT11溫濕度檢測模塊檢測溫濕度，將檢測到的溫濕度送到STM32單片機(jī)，和單片機(jī)的攝入設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定值時，風(fēng)扇開啟，同時可以用按鍵去查看LCD屏幕上的溫濕度值及風(fēng)

12、扇轉(zhuǎn)速，程序結(jié)構(gòu)如圖X。圖X 程序功能框架圖4.2 軟件程序主程序如下：#include "main.h"#include"lcd.h"#include"key.h"#include"delay.h"#include"zi.h"extern const unsigned char gImage_111153600;int main(void)static u8key;u8 yd;Delay_Init();/嘀嗒時鐘延時初始化Led_Init(); /LED燈初始化Beep_Init();/蜂鳴器

13、初始化Key_Init(); /按鍵初始化Uart_Init(115200);/串口初始化/定時器3 PWM模式1初始化-周期1ms，占空比50%TIM3_PWMConfig(1000,72,500);LCD_Init();/LCD初始化/定時器4初始化-定時時間為1秒TIM4_Config(10000,72);/LCD顯示Draw_Text_8_16_Str(50,50,WHITE,BLACK,"姓名 學(xué)號");Draw_Text_8_16_Str(50,70,WHITE,BLACK,"李燕輝 1501190009");Draw_Text_8_16_S

14、tr(50,90,WHITE,BLACK,"孟舒展 1501190047");Draw_Text_8_16_Str(50,110,WHITE,BLACK,"王義濤 1501190046");while(1)key= Get_Key_Val();if(key)yd = key;switch (yd)case1:Paint_Bmp(0,0,240,320,gImage_111); break;case2:PID_Ctrl(DHT11_ShowTAndH();break;case3:drawpidline(0x1111); Draw_Text_8_16_Str

15、(50,50,RED,BLACK,"溫濕度機(jī)轉(zhuǎn)速"); break; / drawpidline(0x1111);case 4:LCD_Clear(WHITE); break;default: ;5 實物調(diào)試與結(jié)果在調(diào)試時我們也是遇到了很多問題，在剛開始沒有緩存按鍵導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳遞，在顯示溫度時發(fā)現(xiàn)溫度穩(wěn)定在某一數(shù)值保持不變，經(jīng)程序檢查發(fā)現(xiàn)將按鍵的值緩存到寄存器中進(jìn)行連續(xù)發(fā)送，此問題解決。在顯示圖片和文字時發(fā)現(xiàn)顯示效果不理想，圖片模糊、字體亂碼，排除問題時發(fā)現(xiàn)是字體取模方式以及圖片格式不對，將文字橫向取模調(diào)整成縱向取模和圖片格式改成.jpg后再次顯示，效果良好。最終調(diào)試結(jié)果如圖X，圖X，圖X，圖X，圖X，圖X 上電初始圖圖X 清屏圖溫濕度顯示及轉(zhuǎn)速波形溫度低于設(shè)定值時風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動總 結(jié) 本次實訓(xùn)持續(xù)兩周左右，在這期間我們對更高一級的單片機(jī)STM32的認(rèn)知從無到有，學(xué)習(xí)了這種單片機(jī)的編程思