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基于STM32的水温控制系统设计

news 2025/6/21 21:42:54

引言

本项目设计了一个基于STM32的水温控制系统，能够实时监测水温并自动调节加热器的功率，使水温维持在设定的目标温度范围内。系统适用于水浴锅、热水器等设备的温度控制，具备自动调节和过温报警功能。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
温度传感器（如 DS18B20，用于测量水温）
加热器（如电阻丝加热器，或其他水加热装置）
固态继电器（SSR，用于控制加热器的通断）
PWM 调节器（用于控制加热器的功率，选用）
蜂鸣器（用于过温报警）
OLED 显示屏（用于显示水温状态）
按键（用于设置目标温度）
USB-TTL 串口调试工具
电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

温度传感器连接：将 DS18B20 的数据引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0），并使用 4.7kΩ 上拉电阻用于稳定数据通信。
加热器连接：通过固态继电器（SSR）控制加热器的通断，将SSR的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA1）。
蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA2），用于超温报警。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示水温和系统状态。
按键连接：将按键的一个引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA3），用于调整目标温度。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 引脚用于传感器、加热器、蜂鸣器和按键控制。
配置 I2C 用于与 OLED 显示屏通信。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写温度测量、加热控制、温度设定、报警提示和状态显示的代码。以下是水温控制系统的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ds18b20.h"
#include "oled.h"
#include "gpio.h"// 定义温度控制参数
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 80.0   // 最高安全温度阈值，超过触发报警
#define TEMP_CONTROL_RANGE 2.0     // 温度调节的范围
#define HEATER_PIN GPIO_PIN_1      // 加热器控制引脚
#define BUZZER_PIN GPIO_PIN_2      // 蜂鸣器引脚// 函数声明
void System_Init(void);
void Measure_Temperature(void);
void Control_Heater(void);
void Handle_Alarm(void);
void Adjust_Target_Temperature(void);
void Display_Status(void);// 全局变量
float current_temperature = 0;
float target_temperature = 60.0;   // 目标温度
uint8_t alarm_triggered = 0;       // 报警标志void System_Init(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_I2C1_Init();OLED_Init();DS18B20_Init();OLED_ShowString(0, 0, "Water Temp Control");
}// 读取当前水温
void Measure_Temperature(void)
{current_temperature = DS18B20_ReadTemperature();  // 读取温度
}// 控制加热器的开关
void Control_Heater(void)
{if (current_temperature < target_temperature - TEMP_CONTROL_RANGE){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_SET);  // 打开加热器}else if (current_temperature > target_temperature + TEMP_CONTROL_RANGE){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭加热器}
}// 处理超温报警
void Handle_Alarm(void)
{if (current_temperature > TEMP_THRESHOLD_HIGH){alarm_triggered = 1;HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, BUZZER_PIN, GPIO_PIN_SET);  // 打开蜂鸣器}else{alarm_triggered = 0;HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, BUZZER_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器}
}// 调整目标温度
void Adjust_Target_Temperature(void)
{if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET){target_temperature += 1.0;  // 按下按钮，增加目标温度if (target_temperature > 90.0){target_temperature = 30.0;  // 超过90度时循环回30度}HAL_Delay(200);  // 防止按钮抖动}
}// 显示系统状态
void Display_Status(void)
{OLED_Clear();OLED_ShowString(0, 0, "Temp: ");OLED_ShowFloat(48, 0, current_temperature, 2);OLED_ShowString(0, 1, "Target: ");OLED_ShowFloat(48, 1, target_temperature, 2);if (alarm_triggered){OLED_ShowString(0, 2, "ALARM! Over Temp");}
}int main(void)
{System_Init();while (1){Measure_Temperature();     // 测量当前水温Control_Heater();          // 控制加热器Handle_Alarm();            // 检查是否超温报警Adjust_Target_Temperature();  // 调整目标温度Display_Status();          // 显示状态信息HAL_Delay(1000);           // 每秒更新一次}
}

4. 各模块代码

温度传感器（DS18B20）读取

通过 DS18B20 温度传感器获取当前水温：

#include "ds18b20.h"// 初始化 DS18B20
void DS18B20_Init(void)
{// 配置 DS18B20 的数据引脚
}// 读取温度数据
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{// 从 DS18B20 读取温度值return 25.5;  // 假设读取到的温度为 25.5°C
}

加热器控制

通过固态继电器控制加热器的通断：

#include "gpio.h"// 控制加热器
void Control_Heater(void)
{if (current_temperature < target_temperature - TEMP_CONTROL_RANGE){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_SET);  // 打开加热器}else if (current_temperature > target_temperature + TEMP_CONTROL_RANGE){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭加热器}
}

蜂鸣器报警

通过蜂鸣器发出超温报警声：

#include "gpio.h"// 处理报警
void Handle_Alarm(void)
{if (current_temperature > TEMP_THRESHOLD_HIGH){HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, BUZZER_PIN, GPIO_PIN_SET);  // 打开蜂鸣器}else{HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, BUZZER_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器}
}

OLED 显示

OLED 显示屏用于显示水温和系统状态：

#include "oled.h"// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{// OLED 初始化代码
}// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{// 在 OLED 显示屏上显示字符串
}// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{// 显示带小数的数值
}// 清屏
void OLED_Clear(void)
{// 清除 OLED 显示内容
}