摘要：针对传统的温度控制系统精确度不足、稳定性较低、耗电严重、OLED显示屏开发难度大，编程复杂等问题，本设计采用USART-HMI智能串口屏作为上位机，以STM32F103单片机作为主控单元，选用PT100铂热电阻实现对环境温度的数据采集，并将温度实时显示在USART-HMI智能串口屏上。用户可以通过串口屏直接对温度进行设定，当实际温度低于设定值时，控制器自动启动加热器；反之，控制器通过RS485通讯控制风机变频调速，以起到降温的作用，这样就可以将温度稳定在一定范围内。实验证明，本设计的温度控制精度约±0.1℃。
关键词：USART-HMI；人机交互；STM32单片机；RS485；恒温控制
0引言
随着社会发展和人们生活水平的逐步提高，对恒温控制系统的准确性、快速性以及信息显示的多元化要求日益增高。本设计将USART-HMI智能串口屏应用到恒温控制系统中，使系统更加智能化、人性化，整个系统不需要外加开关控制电路，用户可以直接操作屏幕的图形界面实现对目标温度、时间等参数的设置，极大地提高了人机交互的体验[1,2]。此外，针对传统的温度控制系统功能单一、可扩展性低的弊端，本系统采用RS485接口实现主控单元与变频器之间的级联通讯，具有接线简单、抗干扰能力强、扩展方便、传输距离远等优点[3]。且变速运行下的风机不仅降低了噪音，同时减少了机械磨损，延长了风机的使用寿命，降低了维修成本和时间；且此调速方法可减少无功电流和无功损耗，节能效果显著。本系统不仅适用于智能家居的温度控制，在蔬菜大棚、动物养殖等对温度要求较高的领域同样适用。另外，系统预留外部接口供进一步扩展功能使用，例如可以搭载蓝牙模块与手机APP通过蓝牙通讯控制环境温度，利用WiFi模块上传温度记录至服务器端等。
1系统总体设计
本系统主要由USART-HMI智能串口屏、STM32F103微控制器[3]、电源模块、温度采集模块、RS485通讯模块以及继电器控制模块组成。利用USART-HMI智能串口屏进行人机交互并控制系统工作状态；STM32作为主控单元，用于接收温度信息、用户操作指令、以及控制变频器、继电器等信息的分析与处理，同时按照微控制器接收的信息优先等级执行对应指令[5,6]。系统控制框图如图1所示。
2系统硬件设计
2.1USART-HMI智能串口屏
USART-HMI智能串口屏采用DC5V供电，通过串口通信与CPU主控模块连接。此串口屏的内部功能强大，具有多种组态控件：按钮控件、进度条控件、文本控件、指针控件等。首先，在运行中MCU通过串口指令改变控件的属性就可以改变屏幕上显示的内容，例如可通过串口发送或写入数据对页面ID、字符内容、文本控件属性等进行修改；其次，此串口屏不占用太多CPU资源，因为大多数需要界面显示的内容是通过屏幕本身的处理器实现的，因此MCU只用发送指令，而不需要编写相关的驱动程序；再次，屏幕厂家提供的上位机软件简单易用，通过图形化的方式就可以对人机界面的布局和大多数的逻辑（比如界面背景，按钮效果，文本显示等）进行设置，十分便捷和高效。除此之外，USART-HMI智能串口屏通过串口中断收、发数据，实时性强，且不会因为刷新界面而产生数据丢包等问题。本系统以菜单的形式，通过设备本身自带的上位机软件设置温度、时间等参数，并对系统界面层次进行划分[7,8]。
2.2电源转换电路
本系统所使用的电压有5v和3.3v，系统电源为220v交流电输入，首先采用具有高精度且集成有过流保护电路的电源芯片TP15AT220S05W，将220V交流电转换得到5v直流电，再采用具有高速响应特性的芯片ME6212C33M5G将电压稳定至3.3v。图4通过带隔离的DC-DC芯片将系统电源和RS-485收发器的电源隔离。
2.3RS485通信电路
通信电路采用美信半导体的MAX485芯片，此芯片成熟度高，应用方便，如下图5所示为芯片的电路原理图。MAX485芯片采用+5v电源供电，为了保障传输信号的可靠性，通信芯片采用隔离电源独立供电。MAX485芯片的8脚为电源输入，5脚为电源地；6脚和7脚是差分信号传输引脚,由于通信端口需要外接线缆，会对传输信号引入干扰，为了提高传输信号的抗干扰能力，需要在芯片电路上设计阻抗匹配，故在芯片的差分信号引脚之间连接一个终端电阻R[9]，此处选用120Ω。1脚和4脚为串口通信引脚，与单片机上的串口引脚相连接；2脚和3脚是信号传输方向选择引脚，为了节省单片机IO使用数量，将这两个引脚连到一起由同一个单片机IO使能。常态下将使能引脚拉低，MAX485处于接收状态，当外部有信号通过P9输入时，经芯片处理后转换为串口信号发送至单片机；当需要发送数据时，由单片机控制将使能引脚拉高，芯片接收串口数据并转化为差分信号输出，数据发送完成后再将使能引脚拉低。
2.4温度采集电路
温度采集对整个系统至关重要，因此采用测温范围比较宽且线性度非常好的PT100实现对温度的采集。采集电路如图6所示，根据运算放大器的“虚短”原则，TLC2272的1脚电压等于其3脚电压（即PT100采集的电压信号），此电路具有电压跟随作用，同时可以实现稳压和滤波。由于PT100的工作电流小，电压比较微弱，需要进行信号的放大处理以便于单片机的AD采样，根据同向比例运算放大器的放大原理，TLC2272的7脚电压将PT100采集的电压信号放大11倍。放大后的电压信号连接STM32F103VCT6的引脚PC0，单片机对采集过来的电压进行换算，可以得到pt100两端的电压，通过欧姆定律计算出pt100的阻值，再经过查表获取当前的阻值对应的温度。
2.5继电器控制电路
使用光电耦合器作为继电器线圈的驱动开关的继电器控制电路如图7所示。当单片机的PE1脚设置为高电平时，光耦内部的LED点亮，驱动光耦内部的光敏三极管导通，继电器线圈吸合控制相应设备工作，此外光电耦合器还可以有效隔离输出侧对主回路的影响。当光电耦合器由导通变为截断时，线圈断电，为避免线圈里的磁场产生的反向电动势击穿电路元件，在继电器线圈两端反接续流二极管D17把反向电动势以电流的形式中和掉。
3系统软件设计
围绕本系统硬件电路和设计要求，由USART-HMI智能串口屏组成的核心控制器设计流程如下：系统运行前先进行初始化，初始化完成后系统根据硬件要求进行自检，主要检测模块有温度采集功能检测，变频器故障检测，变频器RS485通讯功能检测。系统自检完成后，通过USB转TTL接口将串口屏与电脑相连，在串口屏“前初始化命令”中输入“baud=115200”，设置串口屏与单片机波特率一致并将设计的界面源程序下载到串口屏上。通过串口屏直接设定目标温度，单片机每隔5s进行一次AD采样，当采集的温度值大于设定温度时，变频风机启动，显示屏上雪花图样的蓝色指示灯亮起；当采集的温度值小于设定温度时，加热器启动，同时显示屏上太阳图样的红色指示灯亮起；当采集温度与设定温度相同，显示屏上彩灯亮起。系统主程序流程图如图8所示。
4实物测试
按照系统硬件电路进行接线，并在USART-HMI智能串口屏自带的上位软件中对软件程序进行联机调试，调试完成后将实物置于一个封闭环境内进行测试。如图9所示，单片机上电后，读取当前环境温度为22.4℃，在USART-HMI智能串口屏上设定目标温度为25.0℃，红灯亮起，代表加热器处于工作状态，70S后，显示当前环境温度为24.7℃，85s后，彩灯亮起，说明温度已达设定值。随着加热器关闭后剩余热量继续散热，导致温度微微上升略高于设定温度，风机开始工作进行降温，彩灯熄灭蓝灯亮起。当温度降低到设定值时，蓝灯熄灭彩灯亮起，如此循环保证系统温度一直处于设定值范围之内。
5结语
本文通过采用USART-HMI智能串口屏实现对控制系统的恒温控制，不仅提高了系统的智能化、多元化，且人机交互界面更加友好；通过串口屏便可直接对温度、时间等参数进行设置，可操作性强。单片机和变频风机之间采用RS485通讯方式，功耗低，稳定性好，可扩展性强，具有较好的推广应用前景和开发价值。
作者：李梁京 张雪芹 刘华波 单位：中车工业研究院（青岛）有限公司 青岛大学自动化学院 山东省工业控制技术重点实验室