基于STM32的智能饮水机系统设计

2023年 7月 18日 43.6k 0

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。

image.png

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_msdelay_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
 ​
 #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

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