【毕业设计】stm32智能水杯设计与实现（恒温控制） - 单片机 物联网 嵌入式

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0 简介

Hi，大家好，这里是丹成学长的毕设系列文章！

对毕设有任何疑问都可以问学长哦!

这两年开始，各个学校对毕设的要求越来越高，难度也越来越大… 毕业设计耗费时间，耗费精力，甚至有些题目即使是专业的老师或者硕士生也需要很长时间，所以一旦发现问题，一定要提前准备，避免到后面措手不及，草草了事。

为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设，学长分享优质毕业设计项目，今天要分享的新项目是

基于stm32的智能水杯 - 恒温控制

学长这里给一个题目综合评分(每项满分5分)

• 难度系数：4分
• 工作量：4分
• 创新点：3分

选题指导, 项目分享：

https://blog.csdn.net/molodi/article/details/125933857

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);

#endif

LedAndBeep.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250ms
				beep_1;
			else
				beep_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    
#endif

LCD1602.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);

#endif

LCD1602.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jtag
	RCC_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IO
	GPIO_InitTypeDef GPIO;
	GPIO_Write(GPIOA, 0x00ff);	
	
	GPIO.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;		//选定GPIOA的第七Pin
	GPIO.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);

#endif

PID.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200
	pid.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 
#include 

#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.out
		LCD_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

选题指导, 项目分享：

https://blog.csdn.net/molodi/article/details/125933857