一、所选主题和项目介绍

本项目设计并实现了一款基于 STM32 单片机的加热干燥箱智能温度与电流控制系统，主要用于工业或实验室小型干燥箱的恒温控制与状态监测。系统采用双板模块化架构：一块为电源与检测板（集成电源、电流检测和温度检测），另一块为专用继电器控制板（集成固态继电器 PWM 驱动和功率继电器安全切断）。系统通过 NTC 热敏电阻实时检测出风口温度，采用 ACS712 霍尔电流传感器监测加热丝工作电流，最终通过 PWM 信号控制固态继电器调节加热功率，并通过功率继电器实现紧急安全切断。

系统核心功能包括：

• 0~150℃范围内的恒温控制，控制精度 ±1℃
• 0~30A 交流电流实时监测，精度 ±0.5A
• 双重过流保护：软件过流保护 + 硬件功率继电器紧急切断
• 双重温度保护：软件恒温控制 + 超温硬件断电
• 与单片机控制板的跨板通信接口
• 预留温度校准和参数配置接口

二、使用到的所有硬件介绍

2.1 电源与检测板硬件清单

表格

2.2 继电器控制板硬件清单

表格

103JG1F

三、方案框图和项目设计思路介绍

3.1 系统总体方案框图

市电输入(220V AC)
    │
    ├─ 输入保护电路(保险丝+压敏电阻+X电容)
    │   │
    │   ├─ HLK-10M05电源模块 → 5V DC → 控制电路供电
    │   │
    │   └─ 功率继电器(总开关) → 固态继电器(PWM控制) → ACS712电流传感器 → 加热丝
    │
    ├─ 出风口NTC温度传感器 → 分压电路 → 单片机ADC
    │
    └─ ACS712电流传感器 → 滤波电路 → 单片机ADC
        │
        └─ 单片机控制板
            ├─ PWM信号 → 光耦隔离 → 固态继电器驱动
            └─ 开关信号 → 光耦隔离 → 功率继电器驱动

3.2 设计思路

1. 双板模块化设计：将高压大电流部分（继电器、电流检测）与低压控制部分分离，通过排针跨板连接，提高系统安全性和可维护性。
2. 双重安全保护：采用 "固态继电器 PWM 调节 + 功率继电器总切断" 的双重控制架构。固态继电器用于精确调节加热功率，功率继电器作为安全开关，在过流、超温或系统故障时彻底切断加热丝电源。
3. 三级隔离设计：
4. • HLK-10M05 电源模块实现市电与控制电路的 3KV 隔离
   • ACS712 电流传感器实现电流回路与信号回路的 2.5KV 隔离
   • EL357 光耦实现单片机控制信号与继电器驱动电路的隔离
4. 大电流处理：加热丝主回路采用 2oz 铜厚、12mm 宽的大面积铺铜设计，确保 10A 额定电流下温升不超过 15℃。
5. 温度检测优化：采用高速响应玻璃封装 NTC，安装在出风口中心偏下位置，通过铁氟龙管保护引线，确保测温准确和耐用。
6. 完善的保护机制：设计了保险丝过流保护、压敏电阻浪涌保护、软件过流保护、软件超温保护和硬件功率继电器紧急切断五重保护机制。

四、原理图和 PCB 展示及介绍

4.1 电源与检测板原理图介绍

本板原理图分为四个主要模块：

1. 电源输入与保护模块：包含保险丝 FH1、压敏电阻 R1、X 电容 C5 和 HLK-10M05 电源模块 U1。市电 L 经过保险丝后分为两路，一路给电源模块供电，另一路连接到继电器控制板的功率继电器输入。
2. 电流检测模块：ACS712 传感器 U2 串联在固态继电器输出与加热丝之间，引脚 1 和 2 并联作为电流输入，引脚 3 和 4 并联作为电流输出。输出信号经过 R3 和 C3 组成的 RC 滤波电路后，通过 AC_CS 引脚连接到单片机 ADC。
3. 温度检测模块：包含两路 NTC 测温电路，每路都由 5.1kΩ 分压电阻和 100nF 滤波电容组成。TEMP_1 和 TEMP_2_IN 引脚连接 NTC 传感器，TEMP_2_OUT 引脚为预留的第二路温度输出。
4. 接口模块：7P 排针 H1 提供了 5V 电源、GND、AC_CS、TEMP_1、TEMP_2_IN、TEMP_2_OUT 和 3V3 电源接口，用于与单片机控制板的跨板连接。

4.2 电源与检测板 PCB 设计介绍

本板为第一版 PCB 设计，采用双层板结构，尺寸约为 80mm×60mm。设计要点如下：

• 大电流铺铜设计：加热丝主回路采用 2oz 铜厚、12mm 宽的大面积铺铜，确保 10A 电流下温升不超过 15℃。
• 高压隔离设计：高压区域与低压控制区域之间保持 5mm 以上的隔离距离，高压铺铜边缘做圆角处理，防止电晕放电。
• 元件布局优化：高压元件集中布局在 PCB 右侧，低压控制元件集中布局在左侧，HLK-10M05 电源模块位于高低压区域之间，起到隔离作用。
• 接地设计：采用单点接地原则，控制电路地与高压地完全隔离，保护地 (PGND) 单独连接到机箱。

4.3 设计修正记录

• 初期设计曾考虑将 ACS712 串联在零线上，后根据安全要求改为串联在火线上
• 修正了 ACS712 引脚接法，确保引脚 1+2 和 3+4 分别并联
• 增加了 X 电容和压敏电阻的输入保护电路
• 加大了大电流路径的铺铜宽度，从最初的 8mm 增加到 12mm
• 新增了功率继电器作为总电源开关，实现双重安全保护
• 在继电器驱动电路中增加了光耦隔离，提高系统抗干扰能力

五、调试软件、软件流程图和关键代码介绍

plaintext

main.c
├─ 系统初始化（时钟、GPIO、定时器、ADC、串口）
├─ 全局变量定义
├─ 主循环
│  ├─ ADC采样处理（电流、温度）
│  ├─ PID恒温控制计算
│  ├─ PWM占空比更新
│  ├─ 保护逻辑检查（过流、超温）
│  └─ 串口调试信息输出
└─ 中断服务函数
   ├─ ADC DMA转换完成中断
   └─ 定时器更新中断（可选）

1. 主函数

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_USART2_UART_Init();

  printf("Heating Dryer Control System Started\n");
  printf("Target Temperature: %.1f℃\n", TEMP_SETPOINT);

  // 闭合功率继电器，系统开始工作
  set_power_relay(1);
  HAL_Delay(1000);

  while (1) {
    // 读取ADC采样值
    current = adc_to_current(adc_buf[0]);
    temperature = adc_to_temperature(adc_buf[1]);

    // PID控制计算
    pwm_duty = pid_control(TEMP_SETPOINT, temperature);
    set_pwm_duty(pwm_duty);

    // 保护检查
    protection_check();

    // 串口输出调试信息（每秒1次）
    static uint32_t last_print = 0;
    if (HAL_GetTick() - last_print >= 1000) {
      printf("Temp: %.2f℃ | Current: %.2fA | PWM: %.1f%% | Relay: %s\n",
             temperature, current, pwm_duty, power_relay_state ? "ON" : "OFF");
      last_print = HAL_GetTick();
    }

    HAL_Delay(100); // 主循环周期100ms
  }
}

void Error_Handler(void) {
  __disable_irq();
  while (1) {
    // 错误处理：闪烁LED或输出错误信息
  }
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line) {
}
#endif

六、硬件功能展示图及说明

PCB光板

焊接好的PCB

继电器和加热板

焊接好的板子

主循环代码

触摸NTC电阻

读取的值在提高

七、设计中遇到的难题和解决方法

7.1 ACS712 引脚接法错误问题

问题描述：初期设计时曾错误地只连接 ACS712 的引脚 1 和 3，忽略了引脚 2 和 4 的并联要求。
解决方法：重新核对 Allegro 官方数据手册，确认 30A 版本的 ACS712 内部有两根 15A 的电流导线，必须并联使用才能承受 30A 总电流。在 PCB 设计中，将引脚 1 和 2、引脚 3 和 4 分别用大面积铺铜直接连接。

7.2 大电流 PCB 发热问题

问题描述：初期设计的大电流路径线宽为 8mm，在 10A 电流下温升超过 30℃。
解决方法：将大电流路径的铺铜宽度增加到 12mm，并采用 2oz 铜厚设计。同时，在固态继电器和 ACS712 引脚周围增加铺铜面积，增强散热。

7.3 温度测量不准确问题

问题描述：初期将 NTC 直接贴在出风口壁面上，测量值比实际温度低 5~10℃。
解决方法：采用悬挂式安装方式，将 NTC 玻璃珠完全悬空在气流中，距离加热丝 10~15cm。同时，在软件中增加辐射热补偿算法，消除加热丝直接辐射的影响。

7.4 继电器开关干扰问题

问题描述：继电器开关时会产生高频干扰，导致电流和温度测量值波动，甚至引起单片机复位。
解决方法：

• 在继电器驱动电路中增加 EL357 光耦隔离，切断干扰传导路径
• 在继电器线圈两端并联 1N4007 续流二极管，吸收反电动势
• 在电源输入端增加大容量电解电容和陶瓷电容，抑制电源干扰
• 软件上采用中值滤波 + 滑动平均的复合滤波算法

7.5 跨板连接干扰问题

问题描述：两块板子之间的跨板连接线容易引入干扰，导致信号不稳定。
解决方法：

• 采用屏蔽线连接两块板子，屏蔽层单端接地
• 在跨板接口处增加 RC 滤波电路
• 尽量缩短跨板连接线的长度

八、心得体会

8.1 设计经验总结

1. 安全第一：在高压电气设计中，安全永远是第一位的。必须严格遵循电气安全规范，确保足够的隔离距离和完善的保护措施。双重保护设计（固态继电器 + 功率继电器）大大提高了系统的安全性。
2. 模块化设计优势：将系统划分为电源与检测板、继电器控制板和单片机控制板三个独立模块，便于调试、维护和升级。每个模块可以单独开发和测试，提高了开发效率。
3. 隔离设计的重要性：在高压与低压混合系统中，多级隔离设计是确保系统稳定和安全的关键。光耦隔离、电源隔离和传感器隔离缺一不可。
4. 大电流设计要点：大电流路径应采用大面积铺铜设计，尽量短直，避免尖角和突然变窄。同时，要考虑启动电流的冲击，预留足够的余量。
5. 抗干扰设计：继电器开关产生的干扰是这类系统的主要干扰源。通过光耦隔离、续流二极管、电源滤波和软件滤波等多种措施，可以有效抑制干扰。

8.2 改进建议

1. 增加过温保护功能，当温度超过设定上限时自动切断功率继电器电源
2. 优化滤波电路，进一步提高测量精度和抗干扰能力
3. 增加 LED 指示灯，直观显示电源、加热和故障状态
4. 预留 RS485 通信接口，实现远程监控和控制
5. 考虑采用贴片式保险丝和压敏电阻，减小 PCB 体积
6. 在功率继电器输出端增加 RC 吸收电路，进一步抑制开关干扰

通过本次项目设计，我深入掌握了高压电气设计、大电流 PCB 布局、传感器应用、继电器驱动和系统集成等方面的知识。在设计过程中，遇到了许多实际问题，通过查阅资料和反复调试，最终都得到了解决。这些经验将对我今后的硬件设计工作有很大的帮助。