STM32水溫控制系統硬件詳解

系統主要組成;鉑金測溫驅動電路(恒流源實現),市電電壓過零檢測電路.功率驅動電路(固態繼電器實現),小信號放大電路(儀用運放實現),STM32單片機最小系統.500W水溫加熱管.

1,鉑金電阻測溫驅動電路

驅動PT100鉑金測溫電阻.和電阻橋原理相似.利用1MA精密恒流源加在鉑金電阻一端,另一端接地.用另一個1MA精密恒流源加在精密100歐姆電阻一端,另一端接地.(選擇100歐姆,是因為PT100在零度時電阻值是100歐姆)

這是鉑金電阻驅動電路，R3是鉑金電阻，當溫度變化時電阻會發生變化，從而影響VF1和VF2之間壓差不為零。分別作為INA128儀表放大器的輸入端（儀表放大器的優點是輸入阻抗非常高，共模抑制比好，非常適合橋式電路）。經過放大輸出差模信號。但是其輸入的共模信號比較窄，最大也只能到達電源電壓附近，此時可以通過調節Ref端調節輸出電壓。再用OPA335完成10倍的放大工作使其輸出在合適的范圍，方便AD采集。

2，驅動電阻橋的是1毫安的電流源，必須選用精密電流源。保證電阻的變化不影響電流源的電流，如果不是精密電流源，那么電阻的變化就不能真正反應溫度的變化，影響整個系統的精度。我選用的是HowLand電流泵

這是1mA的電流源，經過試驗搭建非常穩定，適合用來驅動橋式測溫電路。

3，電熱絲驅動電路，用的是固態繼電器。性能穩定，但價格較貴。在調節加熱功率時用的過零檢測電路，通知單片機進入中斷，調節繼電器通斷時間，控制導通角，從而控制加熱功率。其實可以不用過零檢測，這里用到是因為這里用過零檢測，可以精確地調整輸入功率，控制更精確，對電網沖擊更小。使整個系統工作更穩定。

4，溫度控制算法，在控制領域因為水是滯后性比較嚴重的介質。在加熱功率的控制上，必須采用一定的算法控制，這里采用PID控制算法，簡單易行。通過調節比例，積分，微分常數，控制功率，避免超調。下面是程序算法模型

structPID{

unsignedintSetPoint;//設定目標DesiredValue

unsignedintProportion;//比例常數ProportionalConst

unsignedintIntegral;//積分常數IntegralConst

unsignedintDerivative;//微分常數DerivativeConst

unsignedintLastError;//Error[-1]

unsignedintPrevError;//Error[-2]

unsignedintSumError;//SumsofErrors

};

//PID處理函數

//=====================================================================================================*/

unsignedintPIDCalc(structPID*pp,unsignedintNextPoint)

{

unsignedintdError,Error;

Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差

pp->SumError+=Error;//積分

dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當前微分

pp->PrevError=pp->LastError;

pp->LastError=Error;

return(pp->Proportion*Error//比例項

+pp->Integral*pp->SumError//積分項

+pp->Derivative*dError);//微分項

}

此模型容易在單片機上實現，性能較好。經過實際驗證符合較高的要求。對于各個參數的選取，我才用的是配湊發，根據效果來不斷調整參數，最終調到合適的參數。

5，最后一點是AD采集的基準電壓源也很重要，直接影響采樣精度，如果可以盡量選用專用的基準電壓源芯片，控制AD采樣誤差。

以上是整個水溫控制系統的設計要點，比較簡單。但是對于理解PID控制有很大幫助，還有儀用運放的使用和電流源的使用橋式電路的使用。硬件和軟件都達到一定的鍛煉效果。