1191
一、項(xiàng)目背景
隨著智能化的迅速發(fā)展，人們對(duì)于生活中的各類設(shè)備也越來越有智能化的需求，其中智能飲水機(jī)是一種比較常見的設(shè)備。智能飲水機(jī)不僅可以提供飲用水，還可以通過智能化的技術(shù)滿足人們對(duì)于水質(zhì)、水溫、出水量等方面的需求。因此，當(dāng)前設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能飲水機(jī)系統(tǒng)，以滿足人們對(duì)智能化飲水機(jī)的需求。
智能飲水機(jī)系統(tǒng)其主要功能包括：
【1】控制加熱芯片：通過繼電器模塊控制加熱芯片，在水燒開后自動(dòng)斷電。
【2】液位感應(yīng)：使用液位傳感器感應(yīng)水箱水位，當(dāng)水位過低時(shí)通過語音模塊進(jìn)行播報(bào)提示。
【3】移動(dòng)端控制：Android手機(jī)端可以顯示當(dāng)前雙水箱內(nèi)的水溫，設(shè)置出水溫度及出水量，并且還可以控制出水操作。
【4】主控芯片：采用STM32F103RCT6主控芯片，這款芯片有著強(qiáng)勁的處理能力和豐富的外設(shè)資源，可以滿足飲水機(jī)系統(tǒng)的控制需求。
【5】WIFI通信：選擇ESP8266與手機(jī)端通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
【6】水溫測量：采用DS18B20實(shí)現(xiàn)水溫測量，能夠準(zhǔn)確地測量水溫。
【7】出水開關(guān)控制：采用SG90電機(jī)實(shí)現(xiàn)出水開關(guān)控制，可以精準(zhǔn)地控制出水量。
【8】本地有2個(gè)指示燈，綠色和紅色燈。可以表示加熱狀態(tài)。
二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
【1】系統(tǒng)核心芯片選擇
STM32F103RCT6作為本系統(tǒng)的主控芯片，其具有較高的計(jì)算速度和穩(wěn)定性，在眾多STM32系列中也是使用比較廣泛的型號(hào)之一。
【2】溫度測量模塊
溫度測量采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，通過單總線協(xié)議與主控芯片進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精準(zhǔn)測量。
【3】液位檢測模塊
液位檢測采用液位傳感器，通過測量水箱內(nèi)水位來判斷是否需要進(jìn)行添加水操作。
【4】控制加熱芯片模塊
繼電器模塊負(fù)責(zé)控制加熱芯片，當(dāng)水燒開后自動(dòng)斷電，以確保水的安全。
【5】出水操作模塊
出水操作通過SG90電機(jī)實(shí)現(xiàn)，其可以控制水龍頭的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)出水的自動(dòng)控制。
【6】WIFI通信模塊ESP8266作為WIFI模塊，與手機(jī)端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了智能飲水機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控和監(jiān)測。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
【1】溫度測量與顯示模塊
STM32芯片通過單總線協(xié)議與DS18B20傳感器進(jìn)行通信，獲取當(dāng)前水溫?cái)?shù)據(jù)，并將其通過LCD1602液晶顯示屏展示在飲水機(jī)面板上。
【2】液位檢測模塊
液位傳感器負(fù)責(zé)檢測水箱內(nèi)水位情況，并將水位數(shù)據(jù)傳遞給主控芯片。當(dāng)水位過低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過語音提示模塊向用戶發(fā)出添加水的提醒。
【3】控制加熱芯片模塊
主控芯片通過繼電器模塊控制加熱芯片的開關(guān)，在水燒開后自動(dòng)斷電，以保證水的安全性。
【4】出水操作模塊
出水操作通過SG90電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飲水機(jī)出水的自動(dòng)控制。同時(shí)，在Android手機(jī)端，用戶可以設(shè)置出水溫度和出水量，使得出水操作更加便捷。
【5】WIFI通信模塊
系統(tǒng)通過ESP8266與Android手機(jī)端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了智能飲水機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控和監(jiān)測功能。用戶可以通過手機(jī)端查看當(dāng)前雙水箱內(nèi)的水溫并進(jìn)行相應(yīng)的操作。
ESP8266配置成AP+TCP服務(wù)器模式，開啟WIFI熱點(diǎn)等待手機(jī)連接，手機(jī)連接之后使用TCP客戶端模式連接飲水機(jī)完成數(shù)據(jù)通信。
四、核心代碼
4.1 SG90控制代碼
SG90電機(jī)是一種小型舵機(jī)，用于模型航空、船模、車模和機(jī)器人等小型機(jī)械裝置中，可以控制舵、飛控等運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。其最大扭矩為1.6kg/cm（4.8V時(shí)），轉(zhuǎn)速為0.12秒/60度（4.8V時(shí)），工作電壓為4.8V~6V。SG90電機(jī)采用三線接口，其中紅色接VCC（正極）、棕色接GND（負(fù)極）、橙色接PWM信號(hào)線，可以通過控制器的PWM信號(hào)控制電機(jī)的角度。
以下是使用延時(shí)模擬PWM波形控制SG90電機(jī)旋轉(zhuǎn)并封裝成子函數(shù)的示例代碼：
#include "stm32f10x.h"
#define SG90_PIN GPIO_Pin_5
#define SG90_PORT GPIOB
void SG90_rotate(uint8_t angle);
int main(void)
{
// 初始化GPIOB時(shí)鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
// 配置PB5為推挽輸出
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SG90_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(SG90_PORT, &GPIO_InitStructure);
while (1)
{
SG90_rotate(0); // 轉(zhuǎn)到0度
delay_ms(1000);
SG90_rotate(90); // 轉(zhuǎn)到90度
delay_ms(1000);
SG90_rotate(180); // 轉(zhuǎn)到180度
delay_ms(1000);
}
}
void SG90_rotate(uint8_t angle)
{
// 計(jì)算PWM波形高電平持續(xù)時(shí)間
uint32_t high_time = 500 + angle * 11.11;
// 發(fā)送PWM波形
GPIO_SetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
delay_us(high_time);
GPIO_ResetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
delay_us(20000 - high_time);
}
在上面的代碼中，將SG90電機(jī)控制引腳連接到了STM32F103的PB5口，并通過計(jì)算PWM波形高電平持續(xù)時(shí)間來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。使用了SG90_rotate子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)控制過程。當(dāng)調(diào)用SG90_rotate函數(shù)并傳入目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，函數(shù)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的PWM波形高電平持續(xù)時(shí)間，并發(fā)送PWM波形來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度。使用了delay_ms和delay_us這兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)延時(shí)操作。
4.2 DS18B20溫度傳感器
DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，它可以直接測量環(huán)境溫度并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。DS18B20溫度傳感器采用一線式總線接口（也叫單總線接口），具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
DS18B20溫度傳感器的測量范圍為-55℃~+125℃，精度為±0.5℃。傳感器內(nèi)置了溫度補(bǔ)償電路，可以自動(dòng)補(bǔ)償溫度影響導(dǎo)致的測量誤差。
DS18B20溫度傳感器有多種封裝形式，包括TO-92封裝、SOIC封裝和TO-263封裝。其中TO-92封裝是最常見的，也最容易使用，它的引腳分別為GND（負(fù)極）、DQ（數(shù)據(jù)線）和VDD（正極）。傳感器可以通過單總線接口連接控制器，控制器通過發(fā)送指令讀取傳感器的數(shù)據(jù)。
以下是接口函數(shù)的代碼示例：
#include "stm32f103xb.h"
#include <stdint.h>
#define DS18B20_GPIO_Port GPIOB
#define DS18B20_GPIO_Pin GPIO_PIN_6
void delay_us(uint16_t us)
{
uint16_t i;
for(i=0; i<us*8; i++);
}
void DS18B20_Init(void)
{
// 設(shè)置PB6為輸出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_GPIO_Pin;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(DS18B20_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
// 拉低總線500us-1000us復(fù)位DS18B20
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
delay_us(600);
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
delay_us(60);
// 等待DS18B20拉低總線告知存在
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
delay_us(240);
// 發(fā)送SKIP ROM指令（跳過ROM應(yīng)答）
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
delay_us(2);
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
delay_us(60);
// 等待DS18B20轉(zhuǎn)換完成
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
}
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
float temperature = 0;
// 發(fā)送START CONVERT指令（啟動(dòng)轉(zhuǎn)換）
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
delay_us(2);
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
delay_us(60);
// 等待DS18B20轉(zhuǎn)換完成
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
// 發(fā)送READ SCRATCHPAD指令（讀取溫度值）
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
delay_us(2);
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
delay_us(60);
// 讀取溫度值
uint8_t data[9] = {0};
for (int i = 0; i < 8; i++) {
for (int j = 0; j < 8; j++) {
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
delay_us(2);
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
delay_us(10);
data[i] |= (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) << j);
delay_us(50);
}
}
// 計(jì)算溫度值
int16_t rawTemperature = (data[1] << 8) | data[0];
if (rawTemperature & 0x8000) {
rawTemperature = ~rawTemperature + 1;
temperature = (float)rawTemperature * -0.0625;
} else {
temperature = (float)rawTemperature * 0.0625;
}
return temperature;
}
調(diào)用方式：
DS18B20_Init(); // 初始化
float temperature = DS18B20_ReadTemperature(); // 讀取溫度值
五、總結(jié)
本項(xiàng)目是基于STM32的智能飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)斷電、液位感應(yīng)、語音提示、手機(jī)遠(yuǎn)程控制等功能。其中，STM32主控芯片選擇STM32F103RCT6，WIFI選擇ESP8266與手機(jī)端通信，水溫測量采用DS18B20，出水開關(guān)控制采用SG90電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
通過繼電器模塊控制加熱芯片，在水燒開后自動(dòng)斷電，避免了過度燒水和安全隱患。同時(shí)，利用液位傳感器感應(yīng)水箱水位，當(dāng)水位過低時(shí)通過語音模塊進(jìn)行播報(bào)提示，提醒用戶及時(shí)加水。
在Android手機(jī)端，用戶可以方便地查看當(dāng)前雙水箱內(nèi)的水溫，設(shè)置出水溫度及出水量，并控制出水操作。這極大地提高了用戶的使用體驗(yàn)和方便性。
本項(xiàng)目具有實(shí)用性和創(chuàng)新性，不僅滿足了用戶對(duì)智能化、便捷化的需求，也展示了STM32等技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
