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1、2017年山东科技大学电子设计大赛技术报告学 校：山东科技大学参赛队员：侯辉张颖杨柳带队教师：高正中自动加热及散热系统摘要本设计以STM32单片机作为核心控制器件，能实时对工作环境进行监测，自动 进行加热或散热，进而实现程控加热的功能。在加热（或散热）控制电路中，本设计 采用了 PWM信号控制，达到控制加热（或散热）功率的目的。本设计先通过键盘设 定好预预设值，温度传感器对水泥电阻实时温度的采集，然后将温度值转换为电压或 电流值值通过A/D转换为数字量传进控制控制系统与STM32中预置的温度进行比较， 当超过预设值时，停止加热，开启电扇散热，当低于预设值时，加热器继续加热，直 至温度达到预设值
2、。测试结果表明，该系统稳定，准确并具有良好的实用价值。关键词：加热散热，STM32，温度传感器，A/D转换一、方案设计和选择11 MCU选择方案一：51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系 列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片 机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL 公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼 容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入 门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。但是
3、51单片机的内部资源相对而言比较 缺少，功能不够强大，驱动能力差。方案二：MSP430系列单片机是一种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)。称之为混合信号处理器，是由于其针对 实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯 片上，以提供“单片机”解决方案。具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资 源丰富等特点。特别突出的低功耗特点使该系列单片机多应用于需要电池供电的便携 式仪器仪表中。方案三：STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门 设计的ARM Cortex-M3内
4、核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系 列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性 能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大 幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存， 不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代 码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。综合考虑，本小组选择方案三 STM32作为系统的主控，STM32系列的 STM32F103RBT6作为核心主控芯片。1.2
5、OLED 选择方案一：用OLED1602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 16X2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5元，转接板 的价格在5元左右，是84X48的点阵OLED，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
6、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,45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。综合考虑，本小组选择方案二。1.3 D/A选择方案一：TLC5616是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电 压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。性能比 早期电流型输出的DAC要好。只需要通过3根串行
7、总线就可以完成10位数据的串 行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口，适用于电池供电的测 试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。方案二：DAC8532是一款双通道，16位数字模拟转换器（DAC）提供低功率操 作和灵活的串行主机接口。每片上精密输出放大器允许在2.7V至5.5V的供电电压范 围内实现轨至轨输出摆幅。该器件支持标准的3线串行接口，支持的操作与输入数据 时钟频率高达30MHz, VDD= 5V。为了提高精度，综合考虑本小组选择方案二，DAC8532模块原理图见附录图1-3.1.4自制电源方案的选择需求：制作12V和5V直流电源。方案一：通过变
8、压器将220V交流电转换为12V交流电，通过整流桥后得到直流 电压，通过L7812和L7805得到12V和5V电压给整个系统供电。由于水泥电阻需要 较大的功率，L7812不适合方案二：通过变压器将24V交流电转换为12V交流电，通过整流桥后得到直流电 压，通过L7812和L7805得到12V和5V电压给风扇和单片机供电。并制作LM2596可 调电压模块给水泥电阻供电。综合考虑，本系统选择方案二作为系统电源模块的方案。1.5加热功率的控制方案一：通过改变加热水泥电阻的个数来改变加热功率方案二：通过改变DA的值来改变LM2596输出电压，以此来改变水泥电阻加热的 功率。方案一需要手动来改变功率，并
9、且改变的范围很小，而方案二范围宽，调节方便, 所以选用方案二。1.6风扇的选择方案一：采用一般的两线风扇，在上面放置红外对射管，来测量转速方案二：米用三线风扇，它自带转速反馈信号。所以选择方案二，简单方便并且准确。1.7温度采集采用18B20传感器来测量温度。它的特点是独特的一线接口，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3.0 V至5.5 V无需备用电源 测量温度范围为-55 C至+125 C。华氏相当 于是67 F到257华氏度-10 C至+85 C范围内精度为土0.5 C温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数
10、字格式最大值为750 毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费 电子产品温度计，或任何热敏感系统1.8系统结构A/D采集由键盘设定好预设温度，主控将设定好的数字量送给DA,此时传感器开始工作， A/D实时采集加热器的温度。当温度高于预设值时，加热器停止工作，风扇开始工作 散热。当温度低于预设值时，加热器继续工作，此过程往复便可实现温度的自动调节。二、理论分析和计算电源设计分析本设计需要5v电源供单片机、LM358和TL431工作，12v电源供风扇工作，以 及数控DC-DC降压电压源供加热模块工作。所以需要设计一个220v交流输入，三路 输出直流输出的电源。其中
11、12v输出由7812对变压器（12v AC输出）经整流桥输出 的16v直流电压稳压得到。5v输出由7805对7812输出的12电压稳压得到。而数控 DC-DC降压电压源使用基于2596的数控直流稳压电源。该电源模块由单片机通过 DA输出一个电压值，与2596的输出电压比较，在反馈到2596的反馈脚，从而控制 输出电压。风扇的闭环控制及转速自动调节算法分析：加热功率可控方案分析：在本设计中当所测得的当前温度相对于用户所设置温度相差较大时，系统会自动 增大DA输出，从而控制基于2596的DC-DC数控降压电源，使其输出电压增大，以 提高家人电路的功率，使加热速度增快。当实测温度接近设定温度时，系统
12、将削减 DA输出，控制数控电源输出电压来减小加热电路的功率，使加热速度减缓，从而使 得系统在温度控制上更加稳定。2.1模拟温度变化控制分析：本设计以水泥电阻的温度作为检测和控制对象。系统通过对水泥电阻通电使其发 热来升高环境温度。当温度接近到预设温度时，减小加热模块的功率来降低升温速度。 当问度达到预设温度后，系统将切断加热模块的工作电路。如若温度超过了预设温度， 系统会发出声光报警，同时启动风扇对水泥电阻进行降温。通过加热电路和风扇的共 同作用，系统将会使温度恒定在用户事先设定的温度。三、硬件电路设计3.1 OLED12864液晶模块系统所有测得的参数显示在OLED12864液晶模块上。3.
13、2温度传感器模块DS18B20初始化存在误差，需要后期标定。它的数据脚需要接上拉电阻。3.3电源模块通过变压器将DJI电源24V降为12V为风扇及L298P供电。3.4降温模块制作L298模块，将STM32的PWM输出脚连接到L298上得到12V的PWM波。 用它来控制风扇的速度，达到降温的效果。3.5升温模块将12V电压的通过L2596，得到可调的电压模块，给水泥电阻供电。从而可以提 供不同的加热功率。原理图见附图3.6声光报警模块用三级管驱动蜂鸣器和LED灯，在超过温度上限时，进行声光报警。3.7按键电路的设计单片机的I/O 口即可以作为输出也可以作为输入使用，当该检测按键使用的是它 的输
14、入功能，我们把按键的其中一端接地，另一段与单片机的I/O 口相连，开始时先 给I/O 口赋一个高电平，然后让单片机一直不断循环检测该I/O 口是已经否变为了低 电平，若是按键闭合，就相当于此I/O 口通过按键接地了，变成低电平，程序如果检 测到I/O 口变为了低电平就说明该按键已被按下，然后就执行相应的指令和程序。四、测试方案与测试结果主程序的功能是：启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测 得温度小于设定值，则进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进行监 测，直到温度在设定范围内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一 次的启动命令。当测得温度大于设
15、定值，则进入降温阶段，则置P1.2为低电平，这 期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.2为高电平断开，关闭风 扇，等待下一次的启动命令。第一次接电调试，设置温度上限为90摄氏度，温度下限为20摄氏度。加热后， 温度有时超过90摄氏度却不报警，后经检查，发现是进位C没有清0,于是在如下 写入程序中加入进位C清零，便排除了这个异常。WR1:CLR P1.0MOV R3,#6DJNZ R3,$RRC AMOV P1.0,CMOV R3,#23DJNZ R3,$SETB P1.0NOPDJNZ R2,WR1RET;读 DS18B2再经实际接电调试，一切运行正常。加热到90摄氏度时，红灯
16、亮起，自动断电， 而低于20摄氏度时，绿灯亮起，开始加热。五、设计总结本测量系统温度控制器结构简单、测温准确，具有一定的实际应用价值。该智能 温度控制器只是DS18B20在温度控制领域的一个简单实例,还有许多需要完善的地方， 例如可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短消息的方式发送给用 户，使用户能够随时对温度进行监控。此外，还能广泛地应用于其他一些工业生产领 域，如建筑，仓储等行业。本温度控制系统可用于多种场合，像的温度、育婴房的温 度、水温的控制。用户可灵活选择本设计的用途，其有很强的使用价值。八、参考文献1 李朝青编著.单片机原理及接口技术（第3版）.北京：北京航空航天大学出版社，200
