基于STM32F103T6的温度控制系统设计[权威精品]

基于STM32F103T6的温度控制系统设计
摘要：针对目前温度控制在工业生产中被广泛应用，而传统的温度控制系统是由功能繁杂的大量分离器件构成，为了节约成本、提高系统的可靠性，本文设计了一种基于STM32F103T6的温度控制系统。

在该系统中，为了减小干扰的影响，用低通数字滤波算法对采样数据进行处理，然后用PID 算法进行决策输出。

同时，利用CAN总线和其他节点进行数据交换。

经过测试，该系统的技术指标满足要求，运行稳定可靠。

Abstract： Specially the temperature control systems are extensively used at present， while the traditional temperature control systems consist of abundant discrete devices. In order to lower the cost and improve the system reliability， the temperature control system based on STM32F103T6 is introduced in the paper. In the system， the sample data are deal with low-pass digital filtering algorithm to decrease the disturbance， and then the output is deduced with the PID algorithm. At the same time， the controller can exchange data with the other nodal points by CAN bus. It is proved that the technical index of the system is satisfied and it works steady.
关键词：温度控制；低通数字滤波；PID算法；CAN总线
Key words： temperature control；low-pass digital filtering algorithm；PID algorithm；CAN bus TP273 A 1006-4311（2013）28-0240-02
0 引言
在工业控制系统中，温度是最主要的被控参数之一。

但是大多数传统温度控制系统都只能测量单点温度，本文就针对这些存在的问题，设计出了基于SoC（System on Chip）ARM 的温度控制器，由于在设计时增加了通信功能，因此本温度控制器具有比传统温度控制器更强大的功能，不仅可以用于工业现场对温度进行控制，还能通过CAN总线的传输能力在几个站点之间进行数据传输和数据交换。

本系统属于嵌入式温度控制系统，可应用于任何需要控制温度的场合，因此其具有通用性。

在设计中，采用了SoC处理器作为主控制器，与一般的51系列单片机相比，其拥有操作灵活、功能强大、集成度高等优点。

1 温度控制系统的硬件设计
本温度控制器所设定的温度测量范围为：-50°C～200°C；温度测量精度：±0.2°C；温度控制精度：
±0.5°C；所设定的P参数值范围为：0～999；所设定的I参数值范围为：0.1～99.9；所设定的D参数值范围为：0.01～9.99。

1.1 温度控制系统的工作原理温度控制系统原理框图如图1所示。

该系统由模拟量输入通道（数据采集部分），微控制器（控制决策部分），模拟量或数字量输出通道（控制输出部分）三大部分组成。

其中CPU选用意法半导体公司的ARM 处理器STM32F103T6，该处理器是完全集成的混合信号系统级SOC芯片，有两个真正的12位多通道ADC，而且拥有一个可编程增益放大器、两个12位DAC及两个电压比较器，32K字节FLASH存储器以及Cortex-M3的32位ARM处理器内核。

因此，可以不用外接A/D及D/A转换芯片，大大简化电路。

该系统中，由热电偶对温度进行采样，其输出热电势经放大器使输出为0～2.4V的电压信号，送入12位的A/D转换器将其转换为数字信号后，送给单片机，由单片机进行滤波、线性化、标度转化后再送至显示部分。

系统可通过键盘在控制主机上进行温度、PID参数值设置，最后系统通过采样值、给
定值和PID参数值进行计算，用此值来确定输出的数字量（或模拟量），以控制继电器（或分度开关）。

1.2 CAN的通信控制电路通过CAN总线实现多站点的控制，即利用PC机向距控制现场较远的节点发送数据，来控制现场的温度，现场总线控制网络总体结构如图2所示。

STM32F103T6系列MCU内部拥有一个局域网控制器（CAN），其使用遵循CAN通信协议。

CAN总线在局域网中的使用则是依照BOSCH协议
2.0A（基本CAN）和2.0B（扩展CAN）。

系统使用CAN总线可传输的数据包括：测量器件参数对应值、给定温度值、PID参数值、测量精度值等，这些数据将严格按照CAN 总线通信协议中规定的数据帧结构进行发送和接收。

1.3 显示电路设计采用专用LED显示控制芯片
MAX7219，可直接驱动8位8段数字型LED或64只独立LED或条形图显示器。

它与微处理器的接口也非常简单，仅用3个引脚便可实现与微处理器的串行通信，最高频率为10MHz，而且软件编程十分简单且灵活。

本设计中MAX7219驱动了8个8段的显示器，通过管脚CLK、DIN、LOAD和STM32F103T6中任意三个具有独立位操作能力的IO口相连。

对于MAX7219，串行数据以16位数据包的形式从DIN脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器，而不管LOAD脚的状态如何。

LOAD脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后，但在下—个CLK上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。

操作者只需编程发送16位数据包，就能简单地操作LED的位选以及段选，设置和改变MAX7219的工作模式。

其串行数据格式如图3所示。

D7～D0：8位数据位，D7为最高位，D0为最低位；
D11～D8：4位地址位；
D15～D12：无关位，通常全取1。

2 系统软件设计
系统逻辑实现主要包括：初始化程序、采样子程序、线性化子程序、显示子程序、键盘控制子程序、PID控制算法子
程序、通信子程序。

系统主流程图、智能节点发送流程图、主机接收流程图分别如图4、图5、图6所示。

3 系统测试
在环境温度为25℃的实验室内，用上述系统对一个内装10L自来水的水箱进行了模拟实验，加热器是一个由继电器控制通断、1500W的电加热器。

由于条件所限，只对30°C～80°C的温度范围做了测试，其记录数据如表1。

通过以上的数据可以看出，其最大误差为±0.2°C，达到预期效果。

4 结束语
本文利用Cortex-M3的32位ARM处理器作为主控制器，设计了一种温度测控系统。

系统中，为了减小干扰的影响，数据采集后，经过低通数字滤波算法处理，然后用PID算法进行决策输出。

同时通过CAN总线上的智能接点对其他从机进行数据传输和数据交换。

系统设计结构简单，可靠性较高。

通过测试，其温度检测及控制调节精度均满足要求，可推广应用。

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