基于STM32F103VBT6的射頻加熱溫濕度監測系統設計*

劉洲峰,黎小靜,呂云鵬,李春雷

(中原工學院 電子信息學院，河南 鄭州 450007)

大功率射頻烘干設備作為紡機、印染工業的新型設備之一，對提高產品質量起著關鍵的作用。對其的研究，無論在理論或實際應用方面，都有十分重要的意義。射頻烘干作為一種高效新型加熱手段只有幾十年歷史，但正是由于其選擇性介質加熱的特點，射頻烘干能被迅速地應用于食品、化工、紡織、醫療、農林漁業等領域。射頻烘干與傳統加熱方式（熱傳導、對流、輻射）的機理完全不同，它能使被加熱物料本身發熱，不需要熱傳導過程，而且設備與空氣不吸收熱量，物料內、外在瞬間達到加熱溫度。與傳統的電加熱、遠紅外加熱相比,它能節能2～3倍以上，加熱效率提高3～5倍，并且具有加熱均勻、熱慣性小、即時性好、易于控制等優點。在其加熱過程中，無有害氣體排放，不產生余熱和粉塵污染，因此射頻加熱既高效節能又安全環保，應用前景十分廣闊。

STM32F103VBT6是意法半導體公司的新推產品，高性能、高代碼密度、小硅片面積三璧合一。內建了嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，具有極低的終端延遲,支持Thumb-2指令集 (強大的位操作指令)，擁有32 bit硬件除法指令和單周期乘法指令，性能接近DSP；內部各個部件可以進行功耗的控制,接近MSP430超低功耗單片機的水平。

針對射頻烘干設備的特點,本設計選用STM32F103VBT6作為核心處理器，研制了基于STM32F103VBT6的射頻加熱溫、濕度監控系統，其包括AM2303溫濕度數據采集、SD卡、Flash、TFT-LCD顯示等模塊。溫濕度監控系統是射頻加熱裝置控制系統的重要組成部分，對整個射頻加熱系統溫濕度的有效、精確的控制能保證整個系統高效地運行[1]。

1 系統硬件設計

系統由溫濕度數據采集電路、電源電路、TFT-LCD顯示電路、MCU、Flash、EEPROM、SD卡、繼電器驅動電路、繼電器等構成，系統結構框圖如圖1所示。主處理器采用意法半導體的STM32F103VBT6，溫濕度數據采集采用AM2303模塊，數據顯示采用SPI接口的TFT-LCD觸摸屏。AM2303采集射頻加熱裝置的溫、濕度數據并通過單總線傳給處理器，處理器對數據處理后作出相應動作并將信息送至TFT-LCD屏進行顯示。當溫濕度過高時，系統將停止加熱，并啟動冷卻和抽濕裝置。

1.1 電源設計

通過變壓器將220 V交流電轉換為9 V，然后經過整流、濾波后輸入LM7805三端穩壓集成芯片，從而輸出5V電壓。由于STM32F103VBT6工作所需電壓為3.3 V，故需進一步降低電源電壓。本設計選取AMS1117作為系統的3.3 V穩壓芯片給處理器供電。

1.2 控制器設計

本設計中STM32F103VBT6外接8 MHz晶振，采用手動和上電自動復位，啟動方式選擇Flash啟動，MCU與SPI外設通過SPI口相連。

1.3 SD卡接口設計

SD卡一般支持兩種操作模式:SD卡模式和SPI模式。SPI模式允許簡單地通過SPI接口與SD卡通信，這種模式同SD卡模式相比喪失了速度。

SD卡只能使用3.3 V的I/O電平，所以MCU一定要能支持3.3 V的I/O端口輸出。在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加 10 kΩ～100 kΩ的上拉電阻。在 SD卡收到復位命令（CMD0）時，若 CS為有效電平則SPI模式被啟用。

1.4 TFT-LCD接口設計

本設計中TFT-LCD模塊采用的LCD驅動器IC為ILI9320,屏幕采用 26萬色的TFT-LCD,分辨率為320×240，接口為16 bit的80并口。TFT-LCD模塊接口采用2×17的2.54排母與外部連接,接口定義如圖2所示。

1.5 Flash電路設計

本設計中采用的Flash芯片為SPI Flash芯片W25×16，該芯片容量為 2 MB,與 AT45DB161一樣。W25×16的最少擦除單位為一個扇區，即每次必須擦除4 KB。W25X16的擦寫周期多達10萬次，具有20年的保存期限，支持電壓為2.7 V～3.6 V,支持標準的SPI,最大SPI時鐘可到75 MHz,其連接電路如圖3所示。

1.6 EEPROM電路設計

本設計中的EEPROM采用ATMEL公司生產的具有I2C總線接口的AT24系列EEPROM，操作時有芯片尋址和片內子地址尋址兩種尋址方式。EEPROM原理圖如圖4所示。A0、A1、A2為可編程地址輸入端，GND為電源地，SDA為串行數據輸入/輸出端，SCL為串行時鐘輸入端，WP為寫保護輸入端，用于硬件數據保護，VCC為電源正端。

1.7 溫、濕度數據采集電路設計

溫濕度傳感器采用廣州奧松公司的AM2303模塊，該模塊的特點為：超低功耗、傳輸距離遠、全部自動化校準、采用電容式濕敏元件、完全互換、標準數字單總線輸出、卓越的長期穩定性、采用高精度測溫元件。

溫濕度數據采集原理圖如圖5所示。AM2303的供電電壓范圍為 3.5 V～5.5 V，建議供電電壓為 5 V。數據線SDA引腳為三態結構，用于讀/寫傳感器數據。VDD為電源引腳，GND為電源地。

1.8 報警電路設計

報警電路采用有源蜂鳴器，電路如圖6所示，有源蜂鳴器操作簡單，且實用性強。當MCU處理器I/O口輸出低電平時，蜂鳴器響起；相反，則蜂鳴器停止。

1.9 繼電器電路設計

本設計中繼電器采用松樂公司的單路繼電器，其設計電路如圖 7所示。2、5端接J3接線端子，2、4端常閉，通過1、3端的電流由驅動芯片提供，當驅動芯片控制端送出低電平時，繼電器1、3端有電流流過,繼電器吸合；當驅動芯片控制端送出高電平時，繼電器1、3端無電流流過，繼電器斷開。LED作為繼電器的工作狀態指示燈,當繼電器吸合時，LED燈亮;當繼電器斷開時,LED熄滅。

2 系統軟件設計

2.1 初始化配置

初始化STM32F103VBT6的時鐘配置寄存器，用函數Stm32_Clock_Init(u8 PLL)初始化時鐘，采用外部 8 MHz晶振。用delay_init()函數初始化延遲函數，對端口配置寄存器CRL和CRH進行配置，對數據寄存器IDR和ODR賦值確定端口初始狀態。

2.2 采集數據

MCU發送一次起始信號 （把數據總線SDA拉低至少 800 μs）后，AM2303從休眠模式轉換到高速模式。待主機開始信號結束后，AM2303發送響應信號，從數據總線SDA串行送出40 bit的數據,先發送字節的高位,發送的數據依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位。發送數據結束觸發一次信息采集，采集結束傳感器自動轉入休眠模式，直到下一次通信來臨。AM2303傳感器讀單總線的流程圖示意圖如圖8所示。

2.3 數據處理

首次啟動系統時,通過SD卡將文件系統燒寫進Flash中，將系統上電后先復位，然后初始化各個模塊驅動子程序。在初始化過程中先從EEPROM中讀取存儲的系統信息，看是否需要更新漢字字庫等系統數據。如果已經更新過，則讀取采集來的溫、濕度數據，用PID算法[2]對采集的數據進行處理，對處理的結果進行判斷并進行相應的處理,程序流程如圖9所示。所謂的PID控制[3]，就是按偏差的比例、積分、微分進行控制。PID控制的形式多種多樣，常用的有位置式和增量式[4]。根據對象的特點,系統采用PID增量式控制算法。增量PID算法如式(1)所示：

其中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分放大系數，U(k)表示第k個采樣時刻的控制量,e(k)表示第k個采樣時刻的行向輸入偏差。

圖8 單總線讀取程序流程圖

圖9 數據處理流程圖

經驗證,該系統能充分實現溫、濕度的實時顯示與控制，達到智能數字控制儀表的要求。系統具有很好的調控功能，靜態、動態指標都達到了要求，整個系統抗干擾性強、可靠性高、自適應能力強、精度高、操作方便。系統的超標量低于1%,調節時間小于 30 s，溫、濕度數據采集更新時間為2 s，射頻烘干箱內部溫度達到了很好的控制效果。可以根據織物面料的不同來設定加熱的溫度和濕度，從而使設備的實用性和性價比最大化，不但提高了設備的適用范圍,而且提升了織物的品質和附加值。該系統不僅可以用于紙張、茶葉、藥材等烘干設備的溫、濕度控制系統中，而且在降低設定值時還可以用于空調等恒溫控制設備的控制系統中。該系統的設計方法在烘干設備控制器中具有一定的借鑒意義和推廣價值。

[1]吳興純，趙金燕，楊秀蓮.基于 80C52單片機的電加熱數字恒溫控制系統設計[J].電子設計工程，2011,19(11):82-84.

[2]李芳，白曉虎，紀建偉.基于模糊控制的溫室控制系統的研究[J].農機化研究，2007(1):83-84.

[3]SUNG S W.New process identification method for automatic design of PID controllers[J].Automatic,1998,34(4):513-520.

[4]李林.電加熱爐溫度控制系統數學模型的建立及驗證[J].北京工業職業技術學院學報，2010,9(4)：23-25.