李梁京，張雪芹，劉華波

（1.中車工業(yè)研究院（青島）有限公司，青島 266071；2.青島大學(xué)自動化學(xué)院，青島 266071；3.山東省工業(yè)控制技術(shù)重點實驗室，青島 266071）

0 引言

隨著社會發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，對恒溫控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性以及信息顯示的多元化要求日益增高。本設(shè)計將USART-HMI智能串口屏應(yīng)用到恒溫控制系統(tǒng)中，使系統(tǒng)更加智能化、人性化，整個系統(tǒng)不需要外加開關(guān)控制電路，用戶可以直接操作屏幕的圖形界面實現(xiàn)對目標(biāo)溫度、時間等參數(shù)的設(shè)置，極大地提高了人機交互的體驗[1,2]。此外，針對傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)功能單一、可擴展性低的弊端，本系統(tǒng)采用RS485接口實現(xiàn)主控單元與變頻器之間的級聯(lián)通訊，具有接線簡單、抗干擾能力強、擴展方便、傳輸距離遠等優(yōu)點[3]。且變速運行下的風(fēng)機不僅降低了噪音，同時減少了機械磨損，延長了風(fēng)機的使用壽命，降低了維修成本和時間；且此調(diào)速方法可減少無功電流和無功損耗，節(jié)能效果顯著。本系統(tǒng)不僅適用于智能家居的溫度控制，在蔬菜大棚、動物養(yǎng)殖等對溫度要求較高的領(lǐng)域同樣適用。另外，系統(tǒng)預(yù)留外部接口供進一步擴展功能使用，例如可以搭載藍牙模塊與手機APP通過藍牙通訊控制環(huán)境溫度，利用Wi-Fi模塊上傳溫度記錄至服務(wù)器端等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由USART-HMI智能串口屏、STM32F103微控制器[3]、電源模塊、溫度采集模塊、RS485通訊模塊以及繼電器控制模塊組成。利用USART-HMI智能串口屏進行人機交互并控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；STM32作為主控單元，用于接收溫度信息、用戶操作指令、以及控制變頻器、繼電器等信息的分析與處理，同時按照微控制器接收的信息優(yōu)先等級執(zhí)行對應(yīng)指令[5,6]。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

圖2 220V～5V電源電路圖

圖3 5V～3.3V電源電路圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 USART-HMI智能串口屏

USART-HMI智能串口屏采用DC5V供電，通過串口通信與CPU主控模塊連接。此串口屏的內(nèi)部功能強大，具有多種組態(tài)控件：按鈕控件、進度條控件、文本控件、指針控件等。首先，在運行中MCU通過串口指令改變控件的屬性就可以改變屏幕上顯示的內(nèi)容，例如可通過串口發(fā)送或?qū)懭霐?shù)據(jù)對頁面ID、字符內(nèi)容、文本控件屬性等進行修改；其次，此串口屏不占用太多CPU資源，因為大多數(shù)需要界面顯示的內(nèi)容是通過屏幕本身的處理器實現(xiàn)的，因此MCU只用發(fā)送指令，而不需要編寫相關(guān)的驅(qū)動程序；再次，屏幕廠家提供的上位機軟件簡單易用，通過圖形化的方式就可以對人機界面的布局和大多數(shù)的邏輯（比如界面背景，按鈕效果，文本顯示等）進行設(shè)置，十分便捷和高效。除此之外，USARTHMI智能串口屏通過串口中斷收、發(fā)數(shù)據(jù)，實時性強，且不會因為刷新界面而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包等問題。本系統(tǒng)以菜單的形式，通過設(shè)備本身自帶的上位機軟件設(shè)置溫度、時間等參數(shù)，并對系統(tǒng)界面層次進行劃分[7,8]。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)所使用的電壓有5V和3.3V，系統(tǒng)電源為220V交流電輸入，首先采用具有高精度且集成有過流保護電路的電源芯片TP15AT220S05W，將220V交流電轉(zhuǎn)換得到5V直流電，再采用具有高速響應(yīng)特性的芯片ME6212C33M5G將電壓穩(wěn)定至3.3V。圖4通過帶隔離的DC-DC芯片將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離。

圖4 485通信電源隔離電路圖

2.3 RS485通信電路

通信電路采用美信半導(dǎo)體的MAX485芯片，此芯片成熟度高，應(yīng)用方便，如圖5所示為芯片的電路原理圖。MAX485芯片采用+5V電源供電，為了保障傳輸信號的可靠性，通信芯片采用隔離電源獨立供電。MAX485芯片的8腳為電源輸入，5腳為電源地；6腳和7腳是差分信號傳輸引腳，由于通信端口需要外接線纜，會對傳輸信號引入干擾，為了提高傳輸信號的抗干擾能力，需要在芯片電路上設(shè)計阻抗匹配，故在芯片的差分信號引腳之間連接一個終端電阻R[9]，此處選用120Ω。1腳和4腳為串口通信引腳，與單片機上的串口引腳相連接；2腳和3腳是信號傳輸方向選擇引腳，為了節(jié)省單片機IO使用數(shù)量，將這兩個引腳連到一起由同一個單片機IO使能。常態(tài)下將使能引腳拉低，MAX485處于接收狀態(tài)，當(dāng)外部有信號通過P9輸入時，經(jīng)芯片處理后轉(zhuǎn)換為串口信號發(fā)送至單片機；當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，由單片機控制將使能引腳拉高，芯片接收串口數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為差分信號輸出，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再將使能引腳拉低。

圖5 RS485通信電路圖

2.4 溫度采集電路

溫度采集對整個系統(tǒng)至關(guān)重要，因此采用測溫范圍比較寬且線性度非常好的PT100實現(xiàn)對溫度的采集。采集電路如圖6所示，根據(jù)運算放大器的“虛短”原則，TLC2272的1腳電壓等于其3腳電壓（即PT100采集的電壓信號），此電路具有電壓跟隨作用，同時可以實現(xiàn)穩(wěn)壓和濾波。由于PT100的工作電流小，電壓比較微弱，需要進行信號的放大處理以便于單片機的AD采樣，根據(jù)同向比例運算放大器的放大原理，TLC2272的7腳電壓將PT100采集的電壓信號放大11倍。放大后的電壓信號連接STM32F103VCT6的引腳PC0，單片機對采集過來的電壓進行換算，可以得到pt100兩端的電壓，通過歐姆定律計算出pt100的阻值，再經(jīng)過查表獲取當(dāng)前的阻值對應(yīng)的溫度。

圖6 溫度采集電路圖

2.5 繼電器控制電路

使用光電耦合器作為繼電器線圈的驅(qū)動開關(guān)的繼電器控制電路如圖7所示。當(dāng)單片機的PE1腳設(shè)置為高電平時，光耦內(nèi)部的LED點亮，驅(qū)動光耦內(nèi)部的光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈吸合控制相應(yīng)設(shè)備工作，此外光電耦合器還可以有效隔離輸出側(cè)對主回路的影響。當(dāng)光電耦合器由導(dǎo)通變?yōu)榻財鄷r，線圈斷電，為避免線圈里的磁場產(chǎn)生的反向電動勢擊穿電路元件，在繼電器線圈兩端反接續(xù)流二極管D17把反向電動勢以電流的形式中和掉。

圖7 繼電器控制電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圍繞本系統(tǒng)硬件電路和設(shè)計要求，由USART-HMI智能串口屏組成的核心控制器設(shè)計流程如下：系統(tǒng)運行前先進行初始化，初始化完成后系統(tǒng)根據(jù)硬件要求進行自檢，主要檢測模塊有溫度采集功能檢測，變頻器故障檢測，變頻器RS485通訊功能檢測。系統(tǒng)自檢完成后，通過USB轉(zhuǎn)TTL接口將串口屏與電腦相連，在串口屏“前初始化命令”中輸入“baud=115200”，設(shè)置串口屏與單片機波特率一致并將設(shè)計的界面源程序下載到串口屏上。通過串口屏直接設(shè)定目標(biāo)溫度，單片機每隔5s進行一次AD采樣，當(dāng)采集的溫度值大于設(shè)定溫度時，變頻風(fēng)機啟動，顯示屏上雪花圖樣的藍色指示燈亮起；當(dāng)采集的溫度值小于設(shè)定溫度時，加熱器啟動，同時顯示屏上太陽圖樣的紅色指示燈亮起；當(dāng)采集溫度與設(shè)定溫度相同，顯示屏上彩燈亮起。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

4 實物測試

按照系統(tǒng)硬件電路進行接線，并在USART-HMI智能串口屏自帶的上位軟件中對軟件程序進行聯(lián)機調(diào)試，調(diào)試完成后將實物置于一個封閉環(huán)境內(nèi)進行測試。如圖9所示，單片機上電后，讀取當(dāng)前環(huán)境溫度為22.4℃，在USART-HMI智能串口屏上設(shè)定目標(biāo)溫度為25.0℃，紅燈亮起，代表加熱器處于工作狀態(tài)，70s后，顯示當(dāng)前環(huán)境溫度為24.7℃，85s后，彩燈亮起，說明溫度已達設(shè)定值。隨著加熱器關(guān)閉后剩余熱量繼續(xù)散熱，導(dǎo)致溫度微微上升略高于設(shè)定溫度，風(fēng)機開始工作進行降溫，彩燈熄滅藍燈亮起。當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時，藍燈熄滅彩燈亮起，如此循環(huán)保證系統(tǒng)溫度一直處于設(shè)定值范圍之內(nèi)。

圖9 實物測試圖

5 結(jié)語

本文通過采用USART-HMI智能串口屏實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的恒溫控制，不僅提高了系統(tǒng)的智能化、多元化，且人機交互界面更加友好；通過串口屏便可直接對溫度、時間等參數(shù)進行設(shè)置，可操作性強。單片機和變頻風(fēng)機之間采用RS485通訊方式，功耗低，穩(wěn)定性好，可擴展性強，具有較好的推廣應(yīng)用前景和開發(fā)價值。