自动加热及散热系统.doc

自动加热及散热系统摘要 本系统基于STM32F103RBT6单片机,实现程控温控器基本控制功能。系统中的温度传感器和实时时钟芯片采集外部温度和时钟时间，系统还可以采集风扇的转速，并将数据显示在LCD12864上。通过按键预设的温度与实际温度不断比较，系统内部风扇装置和水泥电阻加热装置会进行加热和散热。当温度达到设定温度、上下限温度时，系统将会通过蜂鸣器和LED灯进行声光报警，并在LCD12864显示屏上显示警报符号。本系统采用两个自制电源供电。系统的创新点在于可以通过比较简单、廉价、常用的电子元器件实现温度控制，精确度较高。由于系统资源丰富，还可以方便的扩展其应用。关键词自动加热散热，水泥电阻，STM32F103RBT6一、系统方案1.1 MCU选择 方案一：MSP430F149。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。优点是低功耗。 方案二：ATMEGA16相对于出现较早的AT89C52芯片，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大,具有A/D转换等电路，有功能强大的计数器/定时器及通讯接口。 方案三：选择 STM32F103单片机。例如STM32F103RBT6有128K FLASH 、20K SRAM 、2 个SPI、3 个串口、1 个USB 、1 个CAN、2 个12位的 ADC、RTC 、51个可用 IO 脚，性价比高。 方案选择：由于本系统需要控制的引脚较多，如矩阵键盘、液晶控制、且对RAM的和单片机的运行速度提出了较大的要求，所以选择STM32F103RBT6（中容量）作为辅助控制单片机。1.2自制电源设计由题目的要求可知:要求自已制作12V和5V直流电源，12V直流电源建议为2A。12V的电压维持风扇工作，5V的电压给主机和其他外围设备供电。方案一：将220V交流电压利用变压器转变为24V电压，再将24v电压用LM2596芯片分别降压成5v与12v电压，电流需整流成直流。方案二：将220V交流电压利用变压器转变为12V电压，12V电压给风扇供电，用MC34063芯片将12V的电压降为5V，电流需整流成直流后输出。方案三：自制电源是通过将220v交流电压先通过变压器转成24v交流电压，然后通过整流桥（即电桥）将24v交流电压转换成30v直流电压，直流电压30v最后通过7805降成5v直流电压，通过7812降成12V直流电压。其中30V直流电压用于水泥电阻加热供电， 5V电压用于单片机提供电源。综合性价比考虑选择方案一。1.3液晶显示 方案一：用LCD1602液晶显示屏显示。1602（带字库）的市场价格约为14元，1602（不带字库）的市场价格约为10元，需自制转接板。它具有有微功耗、体积小、显示指令形式丰富、超薄轻巧的诸多优点，操作指令少等优点。但是其缺点是无法清楚地显示各种汉字，而且指令执行过程对于时间的延迟有严格要求。第三，1602只有162个字符，显示字符太少不符合题目的要求。 方案二：用5110诺基亚液晶显示屏进行显示。裸屏市场价格约为15元，转接板的价格在5元左右，是8448的点阵LCD，可以显示4行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9条。支持多种串行通信协议，传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。但是其缺点是只有黑白两色，色彩不丰富，显示不稳定，以及显示时亮度不够。 方案三：用12864液晶显示屏进行显示。12864（带字库）的市场价格约为,15元，需自制转接板。采用并行方式传输数据，优点是12864显示的文字大缺点是12864IO口占用多。方案选择：由于在整体方案设计中需要显示汉字、数字、字符、字母等多种符号。 综合考虑选择方案三。1.4功率调节控制 方案一：加热的装置用多个水泥电阻串联而成，通过控制PWM波的占空比实现功率的调节。 方案二：加热的装置用多个水泥电阻串联而成，通过外部的开关控制水泥电阻接入电路的个数，从而达到功率调节的控制。 方案一的功率调节控制的可调档位远多于方案二，性能的实现远优于方案二。除此之外，为了达到恒温加热的效果，给水泥电阻罩一个金属模块，有利于热量的均衡传达。1.5风扇转速采集 方案一：采用普通风扇，通过在风扇以及外部分别安装激光接收管和激光发射管来测定转过一圈风扇所需要的时间。其优点是测量精确，缺点是风扇上的激光接收管安装困难，且该方案成本较高。 方案二：采用一种特定的风扇，该风扇有三根引线，分别为VCC，GND，另一条线可以不间断地产生脉冲，由此来计数。优点是计数准确，缺点是价格稍贵。 综合考虑选择方案二。1.6 实时温度采集 由于题目规定有上限温度70和下限温度30，而数字式温度传感器DS18B20的测温范围为-55到125，精确度为0.5，符合题目要求。该产品是DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，该温度传感器性价比较高，易于操作，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。它独一无二的单总线数据传输方法，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V 无需备用电源。1.7 系统结构图图1 系统结构图2、 理论分析与设计2.1可行性分析 采用单片机STM32F103RBT6为核心。采用了温度传感器DS18B20采集温度变化信号，通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。2.2理论分析经过仔细的题目分析，我们选用，=N公式模型去控制PWM波的占空比去实现系统的功率可调,其中t0 是设定的温度，t1 是实际的温度，t1 ,t0,k定是一个常数，其最适值可通过多组实际数据值计算得出，N是相对加热速率，是占空比，是一个常数。当t1t0时，N0, 0,加热功率几乎为零，当t1t0时，N1, ，当t1t0时，较大，加热速率高，通过这样的模型可以有效地进行精确温度控制。PWM波的占空比和模块电压，电流，功率存在一定关系，, 最终经过实验计算，得出拟合公式和相关系数 拟合公式： 相关系数：R=1三、电路设计 本系统的电路板是基于Altium Designer 9.0设计，经过转印、腐蚀等工艺制成PCB板。所有的模块均以模块的形式呈现，最后各个模块通过杜邦线相连，组成一个完整的系统。3.1 LCD12864模块 显示屏作为用户对装置采集信息的观察界面，该模块直接关系到整个装置是否能成功达到要求，是用户接受装置反馈信息的重要途径之一。LCD12864，LCD_CS接PC0，LCD_RST接PC2，LCD_RS接PA0，LCD_SDA接PA2，LCD_SCK接PA2，LCD_SCK接PA4，LCD_BK接PA6，LCD_ROM_CS接PC4，LCD_ROM_SCK接PB0，LCD_ROM_OUT接PB2，LCD_ROM_IN接PB11。LCD12864原理图见附录图7-3。3.2 键盘操作模块 20个按键依次为 0到9，A,B,C,D,E,按键的可以对温度的上下限、工作温度进行设定，调节实时时钟。采用了4乘5按键采用坐标查询的方式来识别按键，便于人机界面的交互实现。矩阵键盘原理图见附录图7-5。3.3 温度传感器模块DS18B20有初始值的误差，需在后续的程序中加以调整。值得注意的是，数据总线应接一个大小为4.7K的上拉电阻。DS18B20原理图见附录图7-6.3.4 自制电源模块 自制电源有两个，分别是LM2596 12V稳定电源与LM2940 5V稳定电源设计的。装有10K电位器的可控电源是将24V的电压转换成12V，另外一个不带电位器的可控电源是将24V的电压转换成12V。在布PCB的时候注意到了由于该模块的产热量比较大，故元器件之间的分布距离较大；经过降压以后输出交流电，经过整流桥将电流转换成直流，给负载供电；电源电路图见附录图7-2。3.5 PWM波功率控制模块 由于STM32F103RBT6单片机有P4口，所以将PWM波功率控制模块的一端与单片机的PB4与PB6相连，PWM波功率控制模块的电路原理图见图7-4。3.6声光报警模块 采用蜂鸣器与LED，根据不同的设定温度进行进行声光报警。蜂鸣器原理图见附录图7-7。4、 软件设计 该系统基于Keil uVision4进行程序编写，仿真环境为proteus7.7。软件设计原理分为LCD12864液晶显示原理，温度采集和STM32内部RTC的数据采集和反馈显示原理，按键设定温度原理，风扇散热和水泥电阻加热原理。 只要根据器件其自身的执行时序以及操作方式对其进行控制，然后将采集到的信息通过单片机将数据传输给LCD12864进行显示。按键设定温度原理就是对矩阵键盘进行操作，其中包括松手检测（用于按键计数与按键次数的统一）,延时驱抖程序（用于控制按键在正常情况下即低电平时显示）。风扇散热和水泥电阻加热原理，这一过程主要通过判断语句决定继电器的高低电压从而实现散热和加热功能，温度低于设定温度（下限）时，风扇停止工作，加热器开始加热；当温度高于设定温度（上限）时，切断加热器，风扇开始转动扇热。图4 风扇加热器控制模块流程图四、测试方案与测试结果4.1测试仪器仪表 万能表，STM32单片机最小系统板，示波器，电源,UT804。4.2系统测试方法与结果 该系统完成以下要求指标。测试方法测试项目结果以及数据记录单片机上电，设置好控制温度40，进入显示界面显示控制温度和实际工作温度通过单片机上电，使用矩阵键盘设定工作温度，进入显示界面温度低于40时，风扇停止工作，加热器开始加热；当温度高于60，应切断加热器，并接通风扇开始散热通过测定电压和电流，计算出功率能显示加热功率用万用表测定自制直流电源模块运行正常用专业的仪器测定风扇的转速与LCD12864上显示的转速作比较风扇转速测定风速逐渐增加，最后稳定在2860转/秒通过调节PWM波的占空比实现功率调节加热功率可调加热功率与加热模块电压，电流的关系表见附录设定50，45，70，60，40具有程控加热功能温度逐次达到50，45，70，60，40设定温度与实际稳定温度进行比较温控误差要求小于1温控误差要求小于1观察LCD12864上是否有时间显示，掉电后校队时间创新点：可以显示实时时钟，声光报警，菜单，显示温度曲线。时间设置界面人性化，支持修改，掉电保护。五、设计总结： 该方案所用器件简单廉价，操作容易，控制容易，实施手段并没有什么出乎寻常的地方，易被人们所接受。软硬件的设计完全符合常用标准，设计程序化，模块化。测试结果符合题目要求。六、参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.第一届（1994年）第七届（2005年）2 全国大学生电子设计竞赛题目G/OL.,2005.12.3 康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社,2006.01.4 任宏岩，戴炳明.一种新型激光射击训练模拟靶的设计J.大连理工大学学报,1997，37（增2）：186-187.5 戴炳明,任宏岩,张雏.智能型光电打靶模拟训练系统J.半导体光电,1998.03:196-197.七、附录图7-1 STM32F103RBT6最小系统图7-2 LM2596 12V稳定电源与LM2940 5V稳定电源图7-3 LCD12864液晶图7-4 加热和风扇驱动模块图7-5 矩阵键盘接口模块图7-6 DS18B20温度传感器图7-7 蜂鸣器模块图7-8 红外接收模块图7-9 REF3212基准源图7-10 TPS71733高精度电源图7-11 高精度温度检测模块图7-12 电源配置表功率测算表：V（mA）I(A)P(W)PWM/单位0.110.0060.00066510.130.0080.00104600.190.0120.00228800.220.0150.0033900.260.0170.004421000.290.020.00581100.320.0220.007041200.350.0240.00841300.380.0260.009881400.450.0310.013951600.480.0320.015361700.540.0380.020521900.60.0420.02522100.670.0470.031492300.730.0520.037962500.790.0560.044242700.860.060.05162900.890.0640.056963000.950.0680.06463201.020.0740.075483401.080.0780.084243601.150.0830.095453801.210.0880.106484001.270.0920.116844201.330.0960.127684401.390.1020.141784601.460.1060.154764801.520.1120.170245001.580.1160.183285201.650.120.1985401.710.1260.215465601.780.130.23145801.840.1360.25024600666201.960.1460.286166402.030.150.30456602.090.1560.32604680447002.220.1650.36637202.280.170.38767402.340.1740.407167602.420.1740.421087802.480.180.44648002.540.1840.467368948402.670.1940.517988602.730.20.5468802.790.2040.569169002.860.210.60069202.920.2140.624889402.980.220.65569603.040.2260.6870498015310003.170.2350.744951077610403.30.2440.805210603.360.250.8410803.420.2540.8686811003.490.260.907411203.550.2660.944311403.610.2710.9783111603.680.2761.0156811803.740.2821.0546812003.80.2861.086812203.860.2921.1271212403.930.2981.1711412603.990.3021.2049812804.050.3081.247413004.120.3141.2936813204.180.321.337613404.240.3251.37813604.30.331.41913804.370.3361.4683214004.430.3421.5150614204.490.3461.5535414404.560.3521.6051214604.620.3581.6539614804.680.3621.6941615004.750.3681.74815204.810.3741.7989415404.870.3781.8408615604.940.3841.89696158050.391.9516005.060.3941.99364164816405.190.4062.1071416605.250.412.152516805.310.4162.2089617005.380.4222.2703617205.440.4262.3174417405.50.4322.37617605.570.4382.4396617805.630.4442.4997218005.690.4492.5548118205.750.4542.610518405.820.462.677218605.880.4662.7400818805.940.4712.7977419006.010.4762.8607619206.070.4822.9257419406.130.4882.9914419606.20.4923.050419806.260.4983.1174820006.310.5123.2307220206.370.5183.2996620406.440.5223.3616820606.50.5283.43220806.560.5343.5030421006.630.5383.5669421206.690.5443.6393621406.750.553.712521606.810.5553.7795521806.880.563.852822006.940.5663.92804222070.5724.00422407.060.5774.0736222607.130.5824.1496622807.190.5884.2277223007.260.5944.3124423207.320.64.39223407.380.6044.4575223607.440.614.538423807.510.6164.6261624007.560.6224.7023224207.620.6284.7853624407.680.6324.8537624607.750.6384.944524807.810.6445.0296425007.870.655.115525207.940.6545.19276254080.665.2825608.060.6665.3679625808.130.6725.4633626008.190.6765.5364426208.260.6825.6333226408.320.6885.7241626608.380.6925.7989626808.440.6985.8911227008.510.7045.9910427208.570.716.084727408.63