毕业设计 stm32智能恒温水杯 - 单片机 物联网 嵌入式
文章目录
- 0 简介
- 1 项目介绍
- 2 系统设计
- 3 恒温控制实现
- 3.1 功能描述
- 3.2 PID算法原理
- 3.2.1 P：比例
- 3.2.2 I：积分
- 3.2.3 D：微分
- 3.3 温控代码实现
- 4 实现效果
- 5 最后
0 简介
Hi，大家好，学长今天向大家介绍一个 单片机项目
基于stm32的智能水杯 - 恒温控制
大家可用于 课程设计 或 毕业设计
1 项目介绍
今天向大家介绍学长设计的一个毕设项目，基于STM32单片机控制的智能水杯，可利用插口式电源或无线充电底座为加热器提供能量，并在达到某种饮品所需温度时进行保温。 水杯内置充电电池，可选用 USB 接口或无线充电。 在水杯内部设置无线模块，用户利用上位机与水杯进行匹配进行加热操作，加热完后水杯会通过上位机和液晶显示屏实时反馈液体温度，通过指示灯显示电量情况等，给用户进行提醒。
2 系统设计
该智能水杯控制系统是由 STM32 单片机作为主要控制芯片，接受和发送信号给温度传感器，进行温度检测；温度检测是由温度传感器来执行，实时采集水杯内液体温度并利用 LCD 屏显示； 电池检测由电池电压指示电路进行操控， 实时检测电池电量， 并通过 LED 灯进行提示；内置充电电池充电可提供无线和 USB接口充电方式；控温及发热系统由 PTC 发热体构成， 并利用闭环控制使水杯液体温度恒温；利用无线模块，接收来自手机App所发出的指令， 通过手机App与水杯进行匹配进行加热操作，并反馈水杯的使用状态
系统设计
3 恒温控制实现
智能水杯的核心功能是水温的恒温控制，为了实现这一点，学长选用了以下元器件
stm32f103核心板、L298N模块(当然用MOS管更好)、led一个、NPN三极管一个、蜂鸣器一个、DHT11一个、LCD1602一个、电阻200欧两个、可调电阻10K一个、加热丝一个
3.1 功能描述
用DHT11检测当前环境温湿度，并将数据显示在LCD1602上，在用设定温度与当前温度相减，通过PID算法计算出当前输出脉宽，并将其加在L298N模块中，使加热丝发热，形成一个闭环，经过一段时间温度稳定在设定值。
3.2 PID算法原理
3.2.1 P：比例
成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。
3.2.2 I：积分
为消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。
3.2.3 D：微分
反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
D越大，微分作用越强，D越小，微分作用越弱。系统调试时通常把D从小往大调，具体参数由试验决定。
3.3 温控代码实现
LedAndBeep.h
#ifndef _LEDANDBEEP_H
#define _LEDANDBEEP_H#include "sys.h"
#include "DHT11.h"#define led_1 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define led_0 GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)#define beep_1 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1)
#define beep_0 GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1)void GPIO_init_Alert(void);
void Delay_ms(int k);
void Alert(void);#endifLedAndBeep.c
#include "LedAndBeep.h"
#include "PID.h"void GPIO_init_Alert()
{GPIO_InitTypeDef Alert_GPIO;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);Alert_GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;Alert_GPIO.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;Alert_GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &Alert_GPIO);led_0;beep_0;
}void Alert()
{if((DHT_Data[0]>70)||(DHT_Data[0]==70)||(DHT_Data[0]<45)||(DHT_Data[0]==45))//湿度不在45~70之间就报警{led_1;if(pid.C10ms<(pid.T/2))//pid.C10ms在中断函数中，蜂鸣器响的时间小于250msbeep_1;elsebeep_0;}else{led_0;beep_0;}
}DHT11.h
#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H
#include "sys.h" extern char DHT_Data[5];//IO方向设置
#define DHT11_IO_IN() {GPIOB->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOB->CRH|=8<<12;}
#define DHT11_IO_OUT() {GPIOB->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOB->CRH|=3<<12;}
IO操作函数
#define DHT11_DQ_OUT PBout(11) //数据端口 PB11输出
#define DHT11_DQ_IN PBin(11) //数据端口 PB11输入u8 DHT11_Init(void);//初始化DHT11
u8 DHT11_Read_Data(void);//读取温湿度
u8 DHT11_Read_Byte(void);//读出一个字节
u8 DHT11_Read_Bit(void);//读出一个位
u8 DHT11_Check(void);//检测是否存在DHT11
void DHT11_Rst(void);//复位DHT11
#endifLCD1602.h
#ifndef LCD1602_H
#define LCD1602_H#include "sys.h"#define RS GPIO_Pin_8 //设置PB8为RS
#define RW GPIO_Pin_6 //PB6为RW
#define EN GPIO_Pin_7 //PB7为EN使能void ReadBusy(void);
void LCD_WRITE_CMD( char CMD );
void LCD_WRITE_StrDATA( char *StrData, char row, char col );
void LCD_WRITE_ByteDATA( char ByteData );
void LCD_INIT(void);
void GPIO_INIT(void);#endifLCD1602.c
#include "LCD1602.h"
#include "delay.h"void GPIO_INIT(void)
{ //GPIO初始化GPIO_InitTypeDef GPIO;GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); //禁用jtagRCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE );GPIO.GPIO_Pin = EN|RW|RS;GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO);GPIO.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO);}void LCD_INIT(void)
{ //初始化GPIO_INIT(); GPIO_Write(GPIOA, 0x0000); GPIO_Write(GPIOB, 0x0000);delay_us(500); LCD_WRITE_CMD(0x38);LCD_WRITE_CMD(0x0d); //开启光标和闪烁LCD_WRITE_CMD(0x06);LCD_WRITE_CMD(0x01);
}void LCD_WRITE_CMD(char CMD)
{//写入命令函数ReadBusy();GPIO_ResetBits(GPIOB, RS);GPIO_ResetBits(GPIOB, RW);GPIO_ResetBits(GPIOB, EN);GPIO_Write(GPIOA, CMD); //GPIO_SetBits(GPIOB, EN);GPIO_ResetBits(GPIOB, EN);
}void LCD_WRITE_ByteDATA(char ByteData )
{ //写入单个Byte函数ReadBusy();GPIO_SetBits(GPIOB, RS);GPIO_ResetBits(GPIOB, RW);GPIO_ResetBits(GPIOB, EN);GPIO_Write(GPIOA, ByteData);GPIO_SetBits(GPIOB, EN);GPIO_ResetBits(GPIOB, EN);
}void LCD_WRITE_StrDATA(char *StrData,char row, char col)
{//写入字符串char baseAddr = 0x00; //定义256位地址if (row){baseAddr = 0xc0;}else{baseAddr = 0x80; } baseAddr += col;while (*StrData != '\0'){LCD_WRITE_CMD( baseAddr );LCD_WRITE_ByteDATA( *StrData); baseAddr++; StrData++;}
}void ReadBusy(void)
{ //读忙函数，读忙之前记得更改引脚的工作方式！！！因为STM32的IO不是准双向IOGPIO_InitTypeDef GPIO;GPIO_Write(GPIOA, 0x00ff); GPIO.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; //选定GPIOA的第七PinGPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //第七Pin的工作方式为浮空输入模式，用于检测LCD1602的忙状态GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO);GPIO_ResetBits(GPIOB, RS);//RS拉低GPIO_SetBits(GPIOB, RW);//RW拉高GPIO_SetBits(GPIOB, EN); //使能开while( GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_7 )); //读第七Pin状态，如果一直为1则循环等待GPIO_ResetBits(GPIOB, EN);//使能关GPIO.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; //使GPIOA的状态还原成推挽模式GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO);
}PID.h
#ifndef PID_H_
#define PID_H_typedef struct Pid
{float Sv;//用户设定值float Pv;float Kp;int T; //PID计算周期--采样周期float Ti;float Td; float Ek; //本次偏差float Ek_1;//上次偏差float SEk; //历史偏差之和float Iout;float Pout;float Dout;float OUT0;float OUT;int C1ms;int pwmcycle;//pwm周期int times;
}PID;extern PID pid;void PID_Init(void);
void PID_Calc(void);#endifPID.c
#include "PID.h"PID pid;void PID_Init()
{pid.Sv=38;//用户设定温度pid.Kp=30;pid.T=400;//PID计算周期pid.Ti=4000000;//积分时间pid.Td=1000;//微分时间pid.pwmcycle=200;//pwm周期200pid.OUT0=1;pid.C1ms=0;
}void PID_Calc() //pid计算
{float DelEk;float ti,ki;float td;float kd;float out;if(pid.C1ms<(pid.T)) //计算周期未到{return ;}pid.Ek=pid.Sv-pid.Pv; //得到当前的偏差值pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek; //比例输出pid.SEk+=pid.Ek; //历史偏差总和DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1; //最近两次偏差之差ti=pid.T/pid.Ti;ki=ti*pid.Kp;pid.Iout=ki*pid.SEk; //积分输出td=pid.Td/pid.T;kd=pid.Kp*td;pid.Dout=kd*DelEk; //微分输出out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout;if(out>pid.pwmcycle){pid.OUT=pid.pwmcycle;}else if(out<=0){pid.OUT=pid.OUT0; }else {pid.OUT=out;}pid.Ek_1=pid.Ek; //更新偏差pid.C1ms=0;
}main.c
#include "LCD1602.h"
#include "DHT11.h"
#include "LedAndBeep.h"
#include "PID.h"
#include "PWMOUT.h"
#include "delay.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>#define PERIOD 400
#define PRESCALER 36000
void Situation()
{char hum[5]={0},temp[5]={0},PWM[10]={0},arr[5]={0x20,0x20,0x20,0x20,0x20};sprintf(hum,"%d.%d",DHT_Data[0],DHT_Data[1]);sprintf(temp,"%d.%d",DHT_Data[2],DHT_Data[3]);//显示湿度LCD_WRITE_StrDATA( hum,0,5 ); LCD_WRITE_StrDATA("%",0,9 ); //显示温度LCD_WRITE_StrDATA( temp,0,11); LCD_WRITE_StrDATA("C",0,15 );//显示pid.outLCD_WRITE_StrDATA("pid.out:",1,0); sprintf(PWM,"%f",pid.OUT);PWM[6]='\0';LCD_WRITE_StrDATA(PWM,1,9);
}int main()
{unsigned int num=0;GPIO_init_Alert();Time_init();DHT11_Init();PID_Init();LCD_INIT(); LCD_WRITE_CMD( 0x80 ); LCD_WRITE_CMD(0x0C); LCD_WRITE_StrDATA( "situ:",0,0 ); TimePwm_init(PERIOD-1,PRESCALER);while(1){while(DHT11_Read_Data());PID_Calc();num=(((pid.OUT*PERIOD)/pid.pwmcycle)-1);TIM_SetCompare2(TIM3,num);Situation(); }
}4 实现效果
5 最后
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