人机可交互的水冷式温控实验系统设计

徐志宇， 吴志良， 余有灵

(1. 同济大学 电子与信息工程学院, 上海 201804； 2. 慕尼黑工业大学 控制工程系, 慕尼黑 80333，德国)

人机可交互的水冷式温控实验系统设计

徐志宇1， 吴志良2， 余有灵1

(1. 同济大学 电子与信息工程学院, 上海 201804； 2. 慕尼黑工业大学 控制工程系, 慕尼黑 80333，德国)

开发了一套具有人机实时交互功能的水冷式温控实验系统“iWater”。该系统控制部分采用闭环结构：由PTC陶瓷片模拟发热对象，STM32型微控制器根据DS18B20温度传感器提供的实时温度反馈，经过PID运算，对H桥驱动输出PWM指令，从而对水冷机进行调压调速，实现对温度的恒值控制。扩展多种人机交互功能：通过红外遥控模块，可实时设定温度、控制策略以及各类参数；现场输出选取TFT-LCD屏，可实时显示温度曲线；实验数据通过USART通道，在上位机的VisualScope界面实时绘制温度曲线，完成对实验数据的观察、存储与分析。最终完成了样机制作，实验结果验证“iWater”实验系统的有效性。

水冷机; 温度控制; 人机交互; 实验教学系统

0 引 言

恒温控制是自动控制的经典研究课题之一，在生产生活中应用极为广泛[1-6]。传统实验教学所采用的恒温控制系统，往往属于主动加热方式，即升温可控-降温自发[7-9]。通过控制电阻丝、发热陶瓷等加热器的输出功率，维持对象的温度为恒值。

水冷机通过水循环将热源的热量搬到散热器上散发出去，根据其散热原理，可以分为主动式和被动式两种[10-11]。随着半导体制造和电子技术的飞速发展，计算机内部的CPU、GPU等处理器的主频不断提高，发热也增大，CPU/GPU的水冷散热技术受到日益重视，蓬勃发展[12-13]。

本文选用CPU水冷机作为执行机构，设计一套用于实验教学的温控系统，采取主动冷却方式，即降温可控-升温自发。通过动态调节水冷机的水泵转速，实现对热源对象的恒温控制。与传统的教学实验设备相比，具有以下突出特点：① 对象的先进性和新颖性。采用家用电脑的水冷机，既贴近生活实际，又是以往实验中不曾用到过的新型装置，温控方式先进、设备新颖。② 内容的趣味性和多样性。采用先进新型水冷式温控装置，并引入红外遥控、LCD屏现场监控、上位机远程监控等丰富人机交互方式，大大提高了项目的生动性、趣味性，激发学生进行学习、开发的主动性，设计出形式多样，各具特色，扩展丰富的控制系统。

1 硬件选型与设计

1.1 水冷机

本文采用的BigWater-760 Pro型主动式水冷机作为温控系统的执行机构。如图1所示，该水冷机由镜面铜底水冷头、冷却水容器、水泵、散热排、风扇、旋钮控制面板等组成，可方便地安装于台式PC机，用于CPU、GPU等高耗能高发热处理单元的强制冷却。

图1 BigWater-760 Pro型CPU水冷机

BigWater-760 Pro型水冷机可通过调节水泵/风扇转速2种方式调节散热功率。通过机理分析和实测，前者调温及时、效果显著,故本文采用固定风扇转速，单一改变水泵转速的调温方案。其中水泵采用调压调速方式：由L298N电动机驱动板接受微控制器的PWM指令，输出一个幅值可调的直流电压，施加于水泵电动机的电枢两端。

1.2 发热体

发热体是温控系统中的受控对象。为确保实验的可重复性，选取的发热体应具有自主升温能力，即要求水冷机关机或低功率输出时，发热体能够再次升温至超过预设值；为确保实验的易观测性，选取的发热体应具有与水冷机散热能力相匹配的热惯性，即要求水冷机的运行既不能瞬间改变发热体的温度，也不会长时间无法改变发热体的温度；为确保实验的安全性，选取的发热体应具有安全稳定的温度上限，避免师生在实验过程中发生烫伤事故。综合以上考量及实测，本文最终采用市售的PTC发热陶瓷片[14](见图2)作为发热体，其最大发热功率为50 W，最高工作温度70 ℃。经实验辨识，其温度特性可近似为一阶惯性环节。

图2 具有恒温控制功能的PTC发热陶瓷片

1.3 温度传感器

温控系统采用闭环反馈机制，控制量的给出取决于检测值与设定值的偏差。因此传感器的检测误差直接影响到整个系统的精度，且无法通过闭环本身加以克服。本文选用DS18B20型数字温度传感器，可将温度直接转化数字信号，测温范围为-55～125 ℃，分辨率达到0.062 5 ℃，检测及转换时间仅为200 ms，在各种温控系统中得到广泛使用[3, 15-17]，能够满足iWater实验系统在温度检测方面的功能需求。

1.4 微控制器

微控制器是所有控制策略、算法的载体，接受温度的预设值、实测值，经过运算给出合理占空比的PWM指令作用于电动机驱动板，在温控系统中居于核心地位。STM32系列微控制器基于ARM Cortex-M3内核，适用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用。本文选用市售的STM32F103RCT6的通用开发板，主频72 MHz，可扩展多种外设，可满足温控系统在处理能力方面的功能需求。

1.5 人机交互模块

人机交互为实验人员提供观察或干预实验装置运行的渠道。具体包括以下2个方面：

(1) 控制程序和参数整定的效果测试。本文设计温控系统主要用于教学实验，应当具备灵活选择策略、设定参数的功能。在设计过程中，先后尝试了矩阵键盘触控和红外遥控2种输入方案。考虑到矩阵键盘需采取去抖动措施，且按键数量受限于I/O口资源，本文采用了基于NEC协议的红外遥控方案。

(2) 实验数据的采集、可视化及分析处理。在设计过程中，先后尝试了OLED、LCD1602、TFT-LCD等3种显示方案(见图3)。其中OLED用于调试程序时各种参数的显示，LCD1602用于温度值的显示。但上述方案占用I/O资源较多，且无法记录历史数据、动态显示温度曲线；而TFT-LCD显示区域较大，并可编程实时绘制曲线。因此本文最终采用TFT-LCD作为显示屏。

(a)OLED(b)LCD1602(c)TFT⁃LCD

图3 实验数据的可视化方案

2 软件开发

2.1 软件部分的架构

采用ARM公司的Keil μVision5集成开发环境进行STM32程序开发。编写项目工程文件，经调试、编译、连接，生成axf文件，再通过Jlink下载至STM32的Flash中。

软件在硬件基础上运行，是温控系统的灵魂，大致分为5个功能模块：

(1) 数据采集与转换。完成对DS18B20温度传感器的初始化，对输入温度数据的格式转换。

(2) 执行控制策略。运行控制程序，实现砰砰控制、PID控制、模糊控制等算法。

(3) 输出PWM指令。对L298N驱动板输出PWM信号，使之产生可调电压控制水泵转速。

(4) 人机交互。接收并识别红外遥控指令，输出数据于TFT屏幕显示。

(5) 对上位机的串口通信。在上位机PC上以VisualScope界面实时绘制温度曲线。

如图4所示，为“iWater”温控系统的工程文件目录，其中CORE，FWLIB直接来源于ST官方固件库，USER，HARDWARE涉及本文个性化内容。

2.2 控制算法

PID控制是在工业控制中应用最为广泛的控制算法，具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便等突出优势。PID综合偏差的现状、历史、变化趋势，给出控制量。在数字式应用中，往往采用增量式PID控制[2, 9, 17]：

Δu(k)=KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

其中，KP，KI，KD依次为比例、积分、微分增益；Δu(k)和Δe(k)分别为k时刻相对于k-1时刻的控制增量和偏差增量。

图4 “iWater”温控系统的工程文件架构

为克服纯线性PID控制的不足，本文设计了Bang- Bang与PID相结合的分段式控制算法：将实际温度与设定温度的偏差分为3个区间，当温度低于下限时，水泵停机；温度高于上限时，水泵全开；温度处于设定值附近时，采取PID策略。

2.3 实时绘图算法

本文采用基于数组的动态绘图算法。由于TFT-LCD屏幕可显示235个点，故开辟一个2倍大小的数组(含470个单元)。不“搬移”数据，而是直接改变数组中的单元序号，实现温度曲线的实时绘制。因STM32具有丰富的闪存资源(512 KB)，故上述以内存换效率的方案是比较合理可行的。

3 样机制作与测试结果

为确保实验的稳定与可重复运行，并提高实验的展示度，定制丙烯酸塑料(俗称“亚克力”)材质的透明箱，可靠固定水冷式温控系统。样机外观见图5，主要参数如下：规格350 mm×250 mm×200 mm,净重1.95 kg,箱体材料为丙烯酸塑料(亚克力)，控制器为基于STM32F103RCT6的开发板，电动机驱动为基于L298N的双桥驱动板，水冷机为BigWater 760 Pro，直流电源为基于LM2596S的电源模块，传感器为DS18B20，遥控器为HS0038，显示屏为TFT-LCD。

由于该水冷仪器有风扇装置，当其固定于实验箱内时，需特别考虑排气问题。因此在实验箱底部四周安装铜柱，使得底板腾空，在亚克力板上靠近风扇的部分打孔，以此保证了气流的顺利排出。

图6(a)为采用单一比例控制(P)时的阶跃响应曲线。依次设定温度为40 ℃，41 ℃，45 ℃，50 ℃，可见系统响应始终有静差，且随着设定温度的提高，静差越来越大，振荡也越发加剧。

图5 “iWater”温控系统样机及功能测试

图6(b)为采用分段式PID控制时的阶跃响应曲线。依次设定温度为40 ℃，42 ℃，45 ℃。在图中所示区域内的系统响应均已消除静差，且由于引入了微分环节，振幅明显减小，但频率提高。

(a) 单一P控制

(b) 分段PID控制

测试结果显示，该样机作为一套用于实验教学的温控系统，可方便地调整策略、参数，直观地观察、分析实验数据。

4 结 语

本文开发了一套具有人机交互功能的温控实验系统“iWater”。在反馈闭环中，PTC陶瓷片作为温控对象，STM32为控制器，DS18B20作为温度传感器，BigWater-760Pro型水冷机及驱动电路作为执行器。控制策略采用分段式PID算法。参数设定采用红外遥控方式；温度数据采用TFT-LCD屏现场显示和上位机VisualScope界面两种显示方式。样机制作及实验结果验证系统的有效性。

“iWater”系统综合运用了自动控制、传感检测、直流调速、计算机编程、嵌入式开发等软硬件知识与技能，具有综合性；选用CPU水冷机作为执行装置，构成散热控制型温控系统，具有新颖性；可结合先进的信息与人机交互技术，具有丰富的可扩展性。利用该实验系统还开展教研探索：给学生更加充分的时间，展开课内外一体化的分组研讨和科技创新，教师则扮演参与讨论、启发思考、规范实验过程的角色，实现了学生主导、教师引导的新型教学模式。

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Development of a Water-cooled Temperature Control Experimental System with Human-Machine Interaction

XUZhiyu1,WUZhiliang2,YUYouling1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Lehrstuhl für Steuerungs- und Regelungstechnik, Technische Universität München, Munich 80333, Germany)

The water-cooling unit is a device which utilizes water-circulation to accelerate the cooling process of CPU. This paper develops the “iWater” experimental system, and applies it to control temperature and realize real-time human-machine interaction. The closed-loop control mechanism is utilized. PTC ceramic plays the role of heat source; DS18B20 digital thermometer provides temperature feedback; STM32 MCU performs PID strategy and generates PWM command to H-bridge driver. Since the speed of water-cooling unit is controlled by applying a variable voltage, the temperature is regulated as constant. Multiple functions of human-machine interface are integrated. The infrared remote control is applied to set temperature reference, control strategy, and various parameters. TFT-LCD is adopted for on-spot display of temperature waveforms. The experimental data are transmitted via the USART channel, and the temperature trajectory is plotted in the VisualScope of host computer. A prototype is developed and test results validate the effectiveness of this “iWater” experimental system.

water-cooling unit; temperature control; human-machine-interaction (HMI); experimental education system

2016-09-18

国家自然科学基金(71401125)；上海市重点课程建设项目(沪教工委高(2015)29号文)；同济大学第11期实验教改项目(JJSHBC-2015JPSY-018);同济大学第8期精品实验项目同济实(〔2015〕4号)

徐志宇(1982-)，男，山西太原人，高级工程师，从事智能自动化应用研究。

Tel.: 021-69584663； E-mail:xuzhiyu@tongji.edu.cn

余有灵(1973-)，男，重庆人，副教授，从事智能控制理论及应用研究。Tel.: 021-69585441； E-mail:yuyouling@tongji.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)05-0053-04