基于STM32 的水温播报控制系统设计

赵志强

（201620 上海市 上海工程技术大学）

0 引言

水温检测与控制广泛存在于生活和生产中，例如自动加热浴缸的水温控制、锅炉中的水温检测与控制等。传统的水温检测通常以热电阻热电偶为检测元件[1]，PLC 为控制器，系统较冗杂，成本较高。本文采用数字式温度传感器DS18B210 温度传感器作为检测元件，基于ARM 的STM32 芯片作为控制器，设计了一种高效准确的水温检测与控制系统。该系统调试简单，维护成本低且功能拓展性高，为温度检测与控制提供了参考。

1 系统设计

本系统包括以ARM Cortex-M4 为内核的STM32F429 控制板、电热合金丝加热棒、半导体制冷片、DS18B20 温度传感器、语音播报电路、继电器控制电路。

本系统采用的DS18B20 温度传感器具有较好的防水性能[2]，因此可将温度传感器置于水箱中，直接采集水温并将水温显示到LED 数码管上。STMF429 微处理器将采集到的水温数据与设定的阈值温度进行比较。若水温低于阈值温度，则接通控制加热棒的继电器，启动加热棒，直到实际水温达到阈值温度，停止加热并播报语音提示；若水温比阈值温度高，则接通制冷片继电器，启动制冷片，待水温冷却到阈值温度时，停止制冷并播报提示语音。系统设计如图1 所示。

图1 系统控制原理图Fig.1 System control schematic diagram

2 硬件设计

硬件系统主要包括STM32F429 微处理器、水温检测模块、显示模块、语音播报模块、加热模块、制冷模块。

2.1 水温检测模块

DS18B20 温度传感器是由DALLAS 半导体公司推出的一种“一线总线”接口的温度传感器[3]，它具有体积小、适用电压范围大、测温范围宽、连接简单等特点。本系统采用的是一种防水性较强的DS18B20 传感器，适用于本系统中直接采集水温。DS18B20 温度传感器与STM32F429 芯片的连接如图2 所示。

图2 温度传感器电路连接图Fig.2 Temperature sensor circuit connection diagram

2.2 显示模块

本系统采用两片74HC595 缓冲器驱动四位八段数码管显示，前三位用于显示温度的整数部分，最后一位用于显示温度的小数部分。驱动缓冲器的电路连接如图3 所示。

图3 数码管驱动器连接电路图Fig.3 Digital tube driver connection circuit diagram

本系统采用四位八段数码管，共阳极连接，通过动态扫描的方式显示温度传感器测得的温度。连接电路图如图4 所示。

图4 数码管电路连接图Fig.4 Digital tube circuit connection diagram

2.3 语音播报模块

语音播报模块采用WM8978 多媒体数字信号编译码器。WM8978 是欧胜（Wolfson）推出的一款全功能音频处理器，它带有一个HI-FI 级数字信号处理内核，支持增强3D 硬件环绕音效，以及5 频段的硬件均衡器，可以有效改善音质，并有一个可编程的陷波滤波器，用以去除屏幕开、切换等噪音[5]。WM8978 同样集成了对麦克风的支持，以及用于一个强悍的扬声器功放，可提供高达900 mW 的高质量音响效果扬声器功率。一个数字回放限制器可防止扬声器声音过载。WM8978 进一步提升耳机放大器输出功率，在推动16 Ω 耳机时，每声道最大输出功率高达40 mV。可以连接市面上绝大多数适合随身听的高端HI-FI耳机。

WM8988 的主要特性有：I2S 接口，支持最高192 K，24 bit 音频播放；DAC 信噪比98 dB；ADC 信噪比90 dB；支持无电容耳机驱动（提供40 mW@16 Ω 的输出能力）；支持扬声器输出（提供0.9 W@8 Ω 的驱动能力）；支持立体声差分输入/麦克风输入；支持左右声道音量独立调节；支持3D 效果，支持5 路EQ 调节[6]。

WM8978 的控制通过I2S 接口（即数字音频接口）同MCU 进行音频数据传输（支持音频接收和发送），通过二线（MODE=0，即IIC 接口）或三线（MODE=1）接口进行配置。WM8978 的I2S 接口，由4 个引脚组成：（1）ADCDAT：ADC 数据输出；（2）DACDAT：DAC 数据输入；（3）LRC：数据左/右对齐时钟；（4）BCLK：位时钟，用于同步本系统应用WM8978 的播放音频功能，并为日后升级系统的语音控制提供可能性。WM8978 的原理图如图5 所示，有SPK-和SPK+连接扬声器。

图5 WM8978 电路原理图Fig.5 WM8978 circuit schematic

3 软件设计

3.1 主程序

系统必须首先执行初始化过程，初始化I/O端口，设置定时器，并确定每个外设是否成功连接。配置DS18B20 温度传感器来收集水温，将收集的水温与预设温度进行比较。如果收集的温度低于设定温度，则加热继电器开始加热；如果收集的温度高于设定温度，则冷却继电器开始冷却。直到检测到的水温等于设定的水温，停止继电器动作，发送语音播报命令。主程序流程图如图6 所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

3.2 DS18B20 配置方法

DS18B20 共有6 种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0 和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号[7]，并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。DS18B20 配置方法如下：

（1）单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少480 us，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7 K 的上拉电阻将单总线拉高，延时15～60 μs，并进入接收模式（Rx）。

（2）DS18B20 拉低总线60～240 μs，以产生低电平应答脉冲。

（3）写时序包括写0 时序和写1 时序。所有写时序至少需要60 μs，且在二次独立的写时序之间至少需要1 μs 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写1 时序：主机输出低电平，延时2 μs，然后释放总线，延时60 μs；写0 时序：主机输出低电平，延时60 μs，然后释放总线，延时2 μs。

（4）单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60 μs，且在两次独立的读时序之间至少需要1 us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1 μs。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15 μs之内采样总线状态。典型的读时序过程为：主机输出低电平延时2 μs，然后主机转入输入模式延时12 μs，然后读取单总线当前的电平，然后延时50 μs[8]。

4 实验及结果分析

4.1 系统实验

4.1.1 温度测试实验

通过本系统对一系列标准温度进行多次测量，测试本系统的测温准确性。针对5 个不同标准温度，分别采集5 次温度，并取5 次采集值的平均值，评估系统测温的准确性。测温实验数据如表1 所示（单位℃）。

表1 温度测量实验结果Tab.1 Experimental results of temperature measurement

由表1 可知，不同温度下的误差最大为1 ℃。综合5 次不同温度下的测量，总体最大误差为0.34 ℃。

4.1.2 温度控制实验

通过本系统，预设3 个不同的标准水温，再通过电子温度计测试实际水温，测试系统控温的准确性，实验数据如表2 所示（单位℃）。

表2 温度控制实验结果Tab.2 Temperature control experiment results

由以上数据可知，本系统本次实验中的控温最大误差1.2 ℃，平均最大误差为0.9 ℃。

4.2 结果分析

从实验数据可看出，本系统温度测量基本与实际温度相符，能较准确地实现对温度的控制，且扬声器可成功听到温度语音播报。但温度测量和温度控制均有一定误差。同一标准温度多次测量时，实际测量温度有下降趋势。此外，由于本系统所使用的的控温算法较为简单，因此对控温误差也有一定影响。经分析得到，由于水温与室温有温差，所以水温有随时间改变的趋势，水温将逐渐趋于室温。此外，水中温度不完全均衡，因此温度传感器摆放的位置也会影响温度测量和温度控制的准确性。

5 结论

本文设计了一种基于STM32 微处理器的电热水器控温系统，采用STM32F429 使得开发灵活性大，升级空间大；而采用防水性DS18B20温度传感器具有很好的防水性，而且所测得的水温较准确。软件上通过比较算法判断实际水温与系统预设水温的差值，从而实现对加热或制冷继电器的控制，最终实现对水温的较理想控制。在预设好系统标准温度后，可实现一键控温的效果。本文综合并有效利用了软硬件优势，设计了一套控制逻辑简洁直观、安装调试简单易操作、控温效果准确理想的电热水器水温控制系统，具有一定的实用价值。