基于STM32的核电厂温度控制器设计

肖习鹏 兰晓龙 尹小龙 龚建军 何力

【摘 要】在二代堆型核电厂中使用模拟温度控制器对通风管路系统进出风口空气温度进行控制，模拟温度控制器存在精度差和调校复杂的缺点。本文介绍了一种以微控制器芯片STM32核心的温度控制器研制方案。文中介绍了硬件电路结构和软件流程的设计，对微控制器外设的硬件配置和软件设计做了详细的阐述。试验结果表明，该温度控制器能够对通风管路系统温度稳定可靠控制，测量精度满足研制技术规格书要求，可以实现对模拟温度控制器的替换升级。

【关键词】STM32；温度控制；数据采样；数据传输

中图分类号： TP277 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）05-0193-003

【Abstract】In the second generation of the Nuclear Power Plant，the analog temperature controller is used to control the inlet and outlet air temperature of the ventilation pipeline system.The analog temperature controller has the disadvantages of poor accuracy and complex adjustment.A design of temperature controller based on the core of the microcontroller chip STM32 is introduced.The structure of hardware circuit and the design of software flow are introduced，and the hardware configuration and software design of the peripherals of the microcontroller are described in detail.The experimental results show that the temperature controller can control the temperature of the ventilation pipeline system stably and reliably，and the measurement accuracy meets the requirements of the technical specification.Which can realize the replacement and upgrading of the analog temperature controller.

【Key words】STM32；Temperature Control；Data Acquisition；Data Transmission

0 引言

在二代堆型核电厂管路通风系统中需要对管路空气温度进行控制。模拟温度控制器是由欧洲供货厂家八十年代生产制造的，原生产厂家已经停止生产此系列的温度控制器且停止了技术服务。现在正在使用的模拟温度控制器已经进入了老化阶段且经常损坏。

模拟温度控制器的工作方式以及初始参数，都是通过模拟电位器设置。在模拟温度控制器安装就位之前，需要對模拟电位器拨盘进行仔细调校，因此其对管路系统温度的调节和控制比较粗糙，受人为因素的影响较大。模拟温度控制器的调校周期较短，其齿状电气接口反复插拔，容易锈蚀和损坏，加快了老化的速度。

工业上通用的温度控制器基本上无法满足现有通风管路系统对温度控制器电气接口以及控制方式的要求。因此利用现有的成熟的数字电路设计技术，在保证电气接口和控制原理不变的要求下，设计出了一种采用可编程微控制芯片STM32为核心的温度控制电路。采用嵌入式硬件电路和软件编程技术，简化了原模拟电路结构，且具有一定的扩展性，便于软件版本的升级。温度控制器的工作方式和参数设置通过液晶面板上的按键设置，参数值和温度测量值直接在液晶面板上显示。

本文介绍了以微控制器STM32芯片为核心的温度控制器的硬件结构和软件流程设计。对硬件电路模块和外设软件设置进行了详细的阐述。

1 温度控制器硬件结构

温度控制器通过硬齿状电气连接器与通风管路系统控制机柜内接线底座相连。温度控制器电路由传感器信号调理模模块，STM32微控制器，输出通道，电源模块和液晶显示模块组成。传感器信号调理模块对外部两路温度传感器输入信号进行滤波，放大和隔离处理。STM32微控制器利用自带的多通道ADC对两路传感器信号采样[1-2]。由采样数据计算出管路进风口温度和出风口温度。根据控制逻辑，将计算出温度值与初始设置值和回差值比较，逻辑运算结果控制输出通道输出。同时将温度测量值和初始参数设置值送至液晶显示屏上显示。电源模块对电路板上其他电路模块供电。硬件电路结构框图见如图1所示。下面对微控制器外设配置以及输出模块作详细的阐述。

STM32微控制器是由意法半导体公司生产的基于新一代Cortex-M3架构的32位的ARM芯片[3]。内核和外设的工作电压均为3.3V，具有非常低的功耗[4]。片上集成了丰富且功能全面的外设。工作主频可以达到72MHz，外设工作频率可以根据需要在软件编程时进行设置[5]。通用输入输出接口（GPIO口）可以根据需要应用需要重新定义，模拟信号的采样顺序，采样频率以及采样数据传输方式可以由软件设置。在本设计中，利用微控制器片上16通道的12位模数转换器（ADC）中的两个通道对两路传感器信号进行采样，先采集管路入口处温度传感器温度再采集出口温度传感器温度，采样频率根据现场温度变换情况在调试阶段设置，采样完成后，数据通过直接存储器存取（DMA）的方式，直接读入动态存储空间内开辟的数组内。由采样数据计算出管路入口和出口处温度传感器的温度值。根据控制逻辑，微控制器控制控制GPIO口和数模转换器（DAC）输出。STM32微控制器芯片以及外围的晶振、退耦电容等构成核心电路模块如图2所示。

温度控制器输出通道有两种类型的输出，干触点信号和4-20mA信号。STM32微控制芯片GPIO口输出高低电平控制固态继电器线圈的励磁，从而使继电器输出干触点信号给下游电路。DAC输出的电压信号在输出通道经过V/I变换后，输出通用的4-20mA标准工业电流信号[6]。干触点信号控制下游加热器的投入和切除，4-20mA电流信号控制管路空气进口和出口处的电磁阀，使风门开度维持在一定范围之内。V/I变换电路的电路原理图如图3所示。

2 温度控制器控制原理

温度控制器的输出由进风口温度变量和出风口温度两个变量控制。当工作方式为max时，两变量作用的输入输出逻辑关系如图4所示。当工作方式为min时，输入输出逻辑关系如图5所示。

管路系统进风口和出风口处温度传感器测得的空气温度分别为Tc和Tg，进风口温度设置值为Xe，回差值为kXp，出风口温度设置值为Xk，回差值为Xp。初始设置参数Xk，Xe，Xp，KXp将坐标第一象限平面分成三个区域：左斜线，右斜线和横线区域。

假设温度控制器工作于max方式，棕色区域是当进出风口温度Xc或Xg中的任一测量值在左斜线区域，温度控制器输出触点闭合信号和20mA电流信号。Xc或Xg在横线区域，温度控制器输出触点闭合信号和比例电流信号，Xc和Xg均在右斜线区域，温度控制器无输出。用逻辑关系式表示如下：

（1）Xc≥Xk+Xp || Xg≥Xe+K*Xp

输出20mA电流信号和触点信号

（2）（Xk+Xp>Xc>Xk） || （Xe+K*Xp>Xg>Xe）

输出比例电流信号和触点信号

（3）Xc≤Xk && Xg≤Xe

无输出

假设温度控制器工作于min方式，棕色区域是当进出风口温度Xc或Xg中的任一测量值在左斜线区域，温度控制器输出触点闭合信号和20mA电流信号。Xc或Xg在横线区域，温度控制器输出触点闭合信号和比例电流信号，Xc和Xg均在右斜线区域，温度控制器无输出。用逻辑关系式表示如下：

（1）Xc≤Xk-Xp || Xg≤Xe-K*Xp

输出20mA电流信号和触点信号

（2）（Xk-Xp

输出比例电流信号和触点信号

（3）Xc≥Xk && Xg≥Xe

无输出

3 温度控制器的软件设计

温度控制器的软件设计与硬件结构密切相关，系统软件总流程图如图6所示。

温度控制器上电后，先进行系统自检和系统寄存器初始化，然后对ADC、DMA、GPIO和DAC等外设的寄存器进行初始化设置。两个传感器信号调理通道输出的模拟信号采样顺序为：进风口温度传感器信号采样，出风口温度传感器信号采样。管路系统空气温度温度变化缓慢[7]，因此设置模数转换器的工作频率为500kHz，采样周期设置为236.7个工作时钟周期[8]。采样数据通过直接寄存器存储操作操作传输到在数据存储区开辟的数组内，采样100次后，刷新一次存储数组。由采样数据计算进出口温度值时，首先对100次采样数据做一次均值滤波，消除传感器输入信号噪声和采样噪声，采用均值滤波后，使液晶显示屏上显示的测量数据稳定，变化平缓[9-10]。在数据显示的时候，可以查看温度设置值和回差值。

4 试验结果及分析

微控制器STM32通过GPIO口输出数字量和ADC输出电压信号至输出通道，输出通道将数字量信号转换成继电器干触点信号，实现了控制器与下游系统的隔离。输出的模拟电压信号通过V/I变换，得到符合工业标准的4-20mA电流信号。微控制器输出结果满足控制原理的逻辑关系式。通道输出电流信号平滑无跳变。

温控器的温度测量误差要求在0.5%之内（满量程范围0～99.9℃），下表1显示的是在使用标准电阻箱作为进、出风口温度传感器输入阻值，参照Pt100分度表，对应温度的理论值和测量值。最后一列计算出了二者的差值。

由表1可知，测量温度值与理论值的最大误差为0.3℃，在要求的满量程0.5℃误差范围之内，完全满足对温度高精度测量的要求。

5 结束语

本文针对核电厂通风管路系统进出口温度测量和控制的要求，在保证电气接口和控制逻辑不变的条件下，设计出了一种基于微控制器STM32的温度控制电路。试验结果表明，该温度控制器可以在核电厂通风管路系统中稳定可靠的工作，可以实现对下游加热器和电磁阀等精确控制，并可以对管路进出口空气温度的高精度测量，比原模拟温度控制更便于操作和维护。

【参考文献】

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