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(cè)量裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測(cè)量裝置對(duì)被控電加熱水器中水溫進(jìn)行測(cè)量，控制器將測(cè)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。