一、项目背景
随着智能化的迅速发展,人们对于生活中的各类设备也越来越有智能化的需求,其中智能饮水机是一种比较常见的设备。智能饮水机不仅可以提供饮用水,还可以通过智能化的技术满足人们对于水质、水温、出水量等方面的需求。因此,当前设计了一种基于STM32的智能饮水机系统,以满足人们对智能化饮水机的需求。
智能饮水机系统其主要功能包括:
【1】控制加热芯片:通过继电器模块控制加热芯片,在水烧开后自动断电。
【2】液位感应:使用液位传感器感应水箱水位,当水位过低时通过语音模块进行播报提示。
【3】移动端控制:Android手机端可以显示当前双水箱内的水温,设置出水温度及出水量,并且还可以控制出水操作。
【4】主控芯片:采用STM32F103RCT6主控芯片,这款芯片有着强劲的处理能力和丰富的外设资源,可以满足饮水机系统的控制需求。
【5】WIFI通信:选择ESP8266与手机端通信,可以实现远程控制。
【6】水温测量:采用DS18B20实现水温测量,能够准确地测量水温。
【7】出水开关控制:采用SG90电机实现出水开关控制,可以精准地控制出水量。
【8】本地有2个指示灯,绿色和红色灯。可以表示加热状态。
二、系统硬件设计
【1】系统核心芯片选择
STM32F103RCT6作为本系统的主控芯片,其具有较高的计算速度和稳定性,在众多STM32系列中也是使用比较广泛的型号之一。
【2】温度测量模块
温度测量采用DS18B20数字温度传感器,通过单总线协议与主控芯片进行通信,实现对水温的精准测量。
【3】液位检测模块
液位检测采用液位传感器,通过测量水箱内水位来判断是否需要进行添加水操作。
【4】控制加热芯片模块
继电器模块负责控制加热芯片,当水烧开后自动断电,以确保水的安全。
【5】出水操作模块
出水操作通过SG90电机实现,其可以控制水龙头的开关,实现出水的自动控制。
【6】WIFI通信模块ESP8266作为WIFI模块,与手机端进行通信,实现了智能饮水机系统的远程操控和监测。
三、系统软件设计
【1】温度测量与显示模块
STM32芯片通过单总线协议与DS18B20传感器进行通信,获取当前水温数据,并将其通过LCD1602液晶显示屏展示在饮水机面板上。
【2】液位检测模块
液位传感器负责检测水箱内水位情况,并将水位数据传递给主控芯片。当水位过低时,系统会通过语音提示模块向用户发出添加水的提醒。
【3】控制加热芯片模块
主控芯片通过继电器模块控制加热芯片的开关,在水烧开后自动断电,以保证水的安全性。
【4】出水操作模块
出水操作通过SG90电机控制,实现了对饮水机出水的自动控制。同时,在Android手机端,用户可以设置出水温度和出水量,使得出水操作更加便捷。
【5】WIFI通信模块
系统通过ESP8266与Android手机端进行通信,实现了智能饮水机系统的远程操控和监测功能。用户可以通过手机端查看当前双水箱内的水温并进行相应的操作。
ESP8266配置成AP+TCP服务器模式,开启WIFI热点等待手机连接,手机连接之后使用TCP客户端模式连接饮水机完成数据通信。
四、核心代码
4.1 SG90控制代码
SG90电机是一种小型舵机,用于模型航空、船模、车模和机器人等小型机械装置中,可以控制舵、飞控等运动部件的转动角度。其最大扭矩为1.6kg/cm(4.8V时),转速为0.12秒/60度(4.8V时),工作电压为4.8V~6V。SG90电机采用三线接口,其中红色接VCC(正极)、棕色接GND(负极)、橙色接PWM信号线,可以通过控制器的PWM信号控制电机的角度。
以下是使用延时模拟PWM波形控制SG90电机旋转并封装成子函数的示例代码:
#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时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
// 配置PB5为推挽输出
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); // 转到0度
delay_ms(1000);
SG90_rotate(90); // 转到90度
delay_ms(1000);
SG90_rotate(180); // 转到180度
delay_ms(1000);
}
}
void SG90_rotate(uint8_t angle)
{
// 计算PWM波形高电平持续时间
uint32_t high_time = 500 + angle * 11.11;
// 发送PWM波形
GPIO_SetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
delay_us(high_time);
GPIO_ResetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
delay_us(20000 - high_time);
}
在上面的代码中,将SG90电机控制引脚连接到了STM32F103的PB5口,并通过计算PWM波形高电平持续时间来控制电机旋转角度。使用了SG90_rotate
子函数来实现控制过程。当调用SG90_rotate
函数并传入目标旋转角度时,函数会自动计算出对应的PWM波形高电平持续时间,并发送PWM波形来控制电机旋转到指定角度。使用了delay_ms
和delay_us
这两个函数来实现延时操作。
4.2 DS18B20温度传感器
DS18B20是一种数字温度传感器,它可以直接测量环境温度并转换为数字信号输出。DS18B20温度传感器采用一线式总线接口(也叫单总线接口),具有精度高、抗干扰能力强、可靠性高和使用方便等优点。
DS18B20温度传感器的测量范围为-55℃~+125℃,精度为±0.5℃。传感器内置了温度补偿电路,可以自动补偿温度影响导致的测量误差。
DS18B20温度传感器有多种封装形式,包括TO-92封装、SOIC封装和TO-263封装。其中TO-92封装是最常见的,也最容易使用,它的引脚分别为GND(负极)、DQ(数据线)和VDD(正极)。传感器可以通过单总线接口连接控制器,控制器通过发送指令读取传感器的数据。
以下是接口函数的代码示例:
#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)
{
// 设置PB6为输出模式
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);
// 拉低总线500us-1000us复位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拉低总线告知存在
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
delay_us(240);
// 发送SKIP ROM指令(跳过ROM应答)
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转换完成
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
}
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
float temperature = 0;
// 发送START CONVERT指令(启动转换)
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转换完成
while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
// 发送READ SCRATCHPAD指令(读取温度值)
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);
// 读取温度值
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);
}
}
// 计算温度值
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;
}
调用方式:
DS18B20_Init(); // 初始化
float temperature = DS18B20_ReadTemperature(); // 读取温度值
五、总结
本项目是基于STM32的智能饮水机系统设计,实现了自动断电、液位感应、语音提示、手机远程控制等功能。其中,STM32主控芯片选择STM32F103RCT6,WIFI选择ESP8266与手机端通信,水温测量采用DS18B20,出水开关控制采用SG90电机实现。
通过继电器模块控制加热芯片,在水烧开后自动断电,避免了过度烧水和安全隐患。同时,利用液位传感器感应水箱水位,当水位过低时通过语音模块进行播报提示,提醒用户及时加水。
在Android手机端,用户可以方便地查看当前双水箱内的水温,设置出水温度及出水量,并控制出水操作。这极大地提高了用户的使用体验和方便性。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-718123.html
本项目具有实用性和创新性,不仅满足了用户对智能化、便捷化的需求,也展示了STM32等技术在智能家居领域的应用前景。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-718123.html
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