基于FireBeetle ESP32-E设计的加热台

内容介绍

设计概要

本次设计的想法是利用来自DFRobot公司的DFR0654-F FIREBEETLE ESP32-E IOT MICROCONT和DFR0558 GRAVITY DIGITAL HIGH TEMP SENSOR的两个产品来开发一个可视化加热台。

DFR0654-F FIREBEETLE ESP32-E IOT MICROCONT性能描述：

工作电压：3.3V
输入电压：3.3V~5.5V
支持低功耗：10uA
支持最大放电电流：600mA@3.3V LDO
支持最大充电电流：500mA
支持USB充电
处理器：Tensilica LX6双核处理器（一核处理高速连接；一核独立应用开发）
主频：240MHz
SRAM：520KB
Flash：4MB
Wi-Fi标准：FCC/CE/TELEC/KCC
Wi-Fi协议：802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n，速度高达150 Mbps)，A-MPDU和A-MSDU聚合，支持0.4us防护间隔
频率范围：2.4~2.5 GHz
蓝牙协议：符合蓝牙v4.2 BR/EDR和BLE标准
蓝牙音频：CVSD和SBC音频低功耗：10uA
工作电流：80mA（平均）
频率范围：2.4~2.5GHz
支持Arduino一键下载
支持micropython
片上时钟：40MHz晶振、32.768KHz晶振
数字I/O x10（arduino默认）
模拟输入 x5（arduino默认）
SPI x1（arduino默认）
I2C x1（arduino默认）
I2S x1（arduino默认）
RGB_LED：5/D8
接口方式：FireBeetle V2系列兼容
工作温度：-40℃~+85℃
模块尺寸：25.4 × 60(mm)
安装孔尺寸：M2安装孔孔径2.0mm

DFR0558 GRAVITY DIGITAL HIGH TEMP SENSOR数字K型高温传感器由信号放大转换模块和铠装K型热电偶探头组成，当K型热电偶探头置于高温热源时，探头两端由于热电效应产生一个与温度呈正比的微弱电压，信号放大转换模块采用MAX31855K专用芯片将这个微弱的电压信号进行放大、模数转换与相应补偿，最终通过Gravity I2C接口向主控器发送探头的测量温度。信号放大转换模块最大可测量极宽的温度范围-270℃~1372℃，在-200℃~700℃误差不超过±2℃，700℃~1350℃误差不超过±4℃，配套的铠装K型热电偶探头测温可达800℃，在量程范围内误差不大于±2.5℃，能够满足大部分400度以上超高温度的测量场景。

信号放大转换模块

输入电压（VCC）：3.3V~5.5V
适配探头：K型热电偶探头
测温范围：-270℃~1372℃
测温分辨率：0.25℃
测温误差：≤±2℃（-200℃~700℃） ~ ±4℃（700℃~1350℃）
通信接口：Gravity I2C （逻辑电平0-3.3V）
产品尺寸：44.0mm*22.0mm

铠装K型热电偶探头

测温范围：0℃ ~ 800℃
测温误差：≤±2.5℃
线长：1.5m（金属屏蔽线）
探头长度：50mm
探头直径：Φ4mm
特性：防水、耐腐蚀（耐弱酸弱碱，防锈）、耐高温

硬件设计

硬件设计部分，我们主要分成四部分：

人机交互部分采用一个240X320的触摸屏进行显示和输入，可以设定温度和显示温度曲线等信息。

主控部分是ESP32，可以通过串口与触摸屏进行信息交互，并根据传感器（I2C）返回温度结果计算，在D12控制端口输出合适的控制量。

温度反馈部分由信号放大转换模块和铠装K型热电偶探头组成，通过I2C反馈温度到主控部分。

执行加热部分由发热片驱动（MOS管+继电器）和PTC发热片组成。

目前加热台概念版由这四部分构成，后续可以添加机械结构来提高作品的完成度。

硬件设计框图如下：

新建 BMP 图像

软件设计

软件包括控制核心程序和人机交互程序。控制核心程序位于ESP32中执行；人机交互程序在串口屏幕的GD32这个MCU里执行。

控制核心的程序：

void setup()

{

  Serial.begin(115200);

  Serial2.begin(115200);

  max31855.begin();

  pinMode(D12,OUTPUT);

  pinMode(D4, INPUT_PULLUP);

}

初始化部分包含了对串口、I2C、GPIO的初始化。Serial2是屏幕串口，波特率115200。max31855.begin()是铠装K型热电偶信号放大转换模块的配置函数。D12是温度控制输出端口。D4是板上的一个按键，用来调整工作模式：set模式可以设置目标温度，run模式实施调温。

void loop()

{

  float temp = max31855.readCelsius();

  int temp1 = temp/1;

  setmenu();

  time = millis();

  if(ms_c <= (time-10000))

  {

    ms_c = time;

    setwave(0,temp_set);

    setwave(1,temp1);

  }

  heat(time,temp1,temp_set);

}

·······························以下具体函数编写省略

setmenu();在set模式下获取设置温度。
setwave(0,temp_set);在屏幕显示设置的温度和打印温度曲线。
setwave(1,temp1);在屏幕显示实际的温度和打印温度曲线。
heat(time,temp1,temp_set);温度控制函数。

温度控制算法：

采用PI控制time_pwron = Kp*Terr0+Ki*Terr;

time_pwron是周期内加热时间；
Kp是比例系数；
Terr0是温度误差；
Ki是积分系数；
Terr是温度误差累积项，并做了限幅，防止饱和。

人机交互程序：

AcMyM8Txcgq+AAAAAElFTkSuQmCC

Set界面，包括活动名称、版本信息、提升信息等。“250℃”是ESP32中返回的设置温度。“147”是输入温度，通过中间的滑块或者按钮【-】、【+】进行调节。按下【SET】是将输入温度设置到ESP32的设置温度中。

avxTgMJWaZAAAAABJRU5ErkJggg==

RUN界面包括温度曲线显示界面、设定温度显示框、实际温度显示框等。

联调测试

联调测试包括串口屏和ESP32控制板通信协议的对齐、温度控制算法参数的调整。

屏幕协议调试的基本思路是用ESP32的系统串口打印业务串口的RX、TX内容，然后判断通信出bug的地方，最终解决问题。

控制算法参数就是按照PID参数整定法，先调P找到等幅度震荡的值，然后取一个比其略小的值作为比例参数；然后不断增大I，找到一个满足静态误差的值作为积分参数即可。

调试结果：人机交互功能已完全实现，调温功能已经实现，可以在5min~10min达到设定温度，温度静态误差小于2℃。

总结与持续改进

总的来说，在Funpack第二季第三期活动中，学习了ESP32在arduino环境下的开发流程，进一步了解ESP32在蓝牙、WIFI等领域的应用方法并进行实践操作（虽然在最终作品中未涉及，但也收获颇丰），同时积累了大迟滞系数控制系统的调试方法。一期活动下来，经历了种种曲折，牺牲了汗水和脑细胞，当看到最终作品的时候感觉一切都是值得的！

如果有对该项目感兴趣的伙伴想做类似作品，我有几点改进建议：

可以选用较低规格的温度传感器，我使用的这把牛刀有点大。
可以选用最高温度高一点的发热片，目前最高240℃左右只能较好融化低温锡，造成实用价值较小。

最后，感谢Funpack活动的主办方提供了这次让我学习进步的机会，感谢其他一起参加活动的伙伴的经验交流，祝Funpack活动越办越好。

Javion@2022年12月23日