基于PID的恒温控制系统、智能家居控制系统课程设计

1、课程设计报告课程名称物联网应用系统开发专业物联网工程课程设计任务书设计题目基于PID的恒温控制系统、智能家居控制系统设计内容与要求：设计内容：1.采用STM32F103ZET6开发板为硬件开发平台，设计实现RTC时间显示，温湿度检测，PID参数调节，PWM控制电机等功能。2.采用STM32主控芯片，ZigBee无线通信方式及LD3320语音识别芯片实现家居环境数据的采集、显示、智能调节、语音识别及控制。设计要求：掌握硬件原理图，熟悉STM32编程。相关寄存器的配置；常用传感器原理与数据采集；提交符合要求、内容完整的设计报告。指导教师：年月日课程设计评语成绩：指导教师：年月日课程设计报告 项目一

2、基于PID的恒温控制系统1概述选题意义近年来随着电子信息技术的飞速发展，人类的生活发生了很大的变化，尤其是随着大规模集成电路的出现，微型计算机应运而生，让人类社会进入了一个崭新的时代。但是因为微型计算机成本较高，在很多工业控制中并不是最好的选择。所以单片机因为价格低廉、可靠性高，性能稳定以及独特的定时、计数功能而被广泛的应用在工业控制，工业生产，家用电器制造等方面，单片机的应用在不断的走向深处，在实时检测与自动控制的单片机应用系统中，单片机一般是用来做核心部件的，由具体的硬件结构与控制对象的特点，和软件相结合来加以完善。温度是表示物体冷热程度的物理量，工农业生产过程中温度是一个非常重要的参数。

3、温度测量在产品生产，工业设计，能源节约中发挥到了关键性的作用。随着科学技术的进步和生产的需要，温度传感器不断更新和丰富起来。温度作为一个模拟量，如果采用合适的技术和元件，把模拟的温度量转化为数字量虽然说不难，但电路比较复杂，成本也太高。温度测量中测量温度是重点，本设计中单片机温度测量同样如此。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等传统的控制方式由于其控制精度不高、不能及时的跟踪对象特性变化等原因造成控制系统性能不佳。本设计基于这一点，选用具有高性能而又经济的STM32单片机作为控制器，所用算法为位

4、置型PID控制算法，完成了对系统的设计。设计方案具有可行性和一定的推广性，若能够应用于实际生产生活中，将会对提高企业自动化水平、降低生产成本、减轻工人劳动强度、提高生活质量等方面起到积极的促进作用。设计目标该设计主要由单片机最小系统模块，温湿度采集模块、显示模块和键盘模块，电机模块，报警模块等构成，以STM32单片机作为核心处理器。主要完成的功能有以下几点：对室内温度进行实时检测、按键设定温度、将检测的和设定温度显示出来、当温度超限时报警并启动电机进行温度调控。总体设计总体方案电路总体可以分为温度采集模块、单片机STM32最小系统模块、电机驱动模块、按键模块、报警模块以及显示模块等。以STM3

5、2单片机最小系统作为核心控制电路，传感器采集温湿度作为STM32的输入，电机驱动模块、TFTLCD2.8寸液晶屏，以及按键模块作为STM32的输出。采集温度方面由DHT11温度传感器来完成,它是一个数字温度传感器、内置模数转换，可直接与单片机相连接。而TFTLCD2.8寸液晶显示屏是插针式，也可以直接与单片机相连接。通过DHT11传感器采集当前的温湿度值、经单片机将其处理后的数据送到TFTLCD液晶显示屏来进行显示，主要显示测得的实时温度与设定的温度上下限。利用键盘设置温度阈值，如果当前采集的实时温度不在设定的温度阈值范围之内，则由STM32单片机发出指令来控制电机驱动模块，使电机正常工作来实

6、现室内温度控制。设计框图图21功能模块框图LCD显示电机驱动LED指示详细设计与实现3.1STM32最小系统模块STM32F103ZET6简介STM32F103ZET6算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大、可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，F表示通用类型，103表示增强型，E表示512K字节的闪存存储器，Z表示有144管脚，可用IO(input/output)112个，剩余的管脚：电源(电源不止一个，为了提高芯片的稳定驱动能力，一个或几个模块用一个电源，)启动设置，复位，程序下载等的配置。模块功能该模块的主要任务是完成发出的降温操作。单片机STM32F103ZET6做CPU,DHT11采集

7、温湿度直接输出数字信号，单片机进行处理与执行。当温度高于设定的温度时，单片机向温度控制执行电路发送降温命令，同时LED1灯闪烁蜂鸣器报警，提醒使用者温度过高正在进行降温，启动风机等操作。3.2DHT11温湿度采集模块DHT11简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校

8、准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供DHT11工作原理DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数

9、据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。如图31所示VCC-寳如-泗卫H表亓2III图31通讯过程图inrrfatf图

10、32数字0信号表示方法图图33数字1信号表示方法图总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后，可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。总线为低电平，说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us,准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见

11、下面图示如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。模块功能该模块的主要任务是完成温湿度采集，并将其组装成可读数据发送给单片机的操作。按键模块该模块主要实现对设定温度的设置以及对电路的复位。单片机应用系统中除了复位按键有它专门的复位电路，和专一的复位功能以外，其它的按键都是用开关的状态来设置控制功能或者输入数据。本次设置了两个按键，来配合显示界面，可以对温度进行设定，实现电机不同运行方式之间的转换，开入开出测试等操作。按键UPDOWN分别是温度加、温度减。报警模块该模块主要

12、由LED1与蜂鸣器组成。实现当实际温度大于设定温度时LED1闪烁蜂鸣器响的报警操作显示模块1.LCD屏简介大小：2.8寸，像素：240*320(76800)采用RGB三色显示，采用RGB565格式，也就是说每一个像素点的颜色控制所需要的数据量为两个字节16位，在调色的时候,R(5位)G(6位)B(5位)，正常每一种颜色六位，甚至还有8位。硬件接口：采用8080并行接口，在屏的接口中，常用两种并行接口，没有根本区别，现在市场上使用的屏有些是串行接口SPI或I2C，小型设备常用一个是8080：WR：写使能RD：读使能D/C:数据、命令选择RST:复位D07：数据位一个是6800:WR/RD:写使能

13、或读使能选择D/C:数据、命令选择RST:复位D07:数据位ILI9341屏的驱动芯片，屏幕内置，看不到TFTLC上电后整屏亮，靠不同颜色区分2.模块功能采用TFTLCD液晶显示屏来进行显示，主要显示测得的实时温湿度与设定的温度以及温度变化曲线和电机转速曲线等。3.6电机驱动模块当检测到的实时温度高于设定的温度值时，单片机要进行降温操作。采用140直流电机与单片机相连接，从而控制风扇扇叶的转动，以达到控制温度的目的。电机速度控制采用PWM波来实现，PWM就是一个方波，通过调节占空比来增加或降低电机运行速度(占空比：在一个周期中高电平所占的时间)3.7PID控制算法由于该系统为闭环控制系统采用P

14、ID控制算法。该系统降温部分采取PWM作为控制量，故采取数字PID增量型控制算法。数字PID增量型控制算式如式(1)所示。u(k)=Kpe(k)e(k1)+KIe(k)+KDe(k)2e(k1)+e(k2)(1)牛竽为积分系数竽为船系数Kp：比例蛊数比钢带4匕刑度)P；输人假差倍外变化的相对慎与输出信号变化的相对怙Z比的百分数衣丁(比例系数的倒数)系统调试系统设计方案电路的连接整个设计系统功能是由软件程序配合硬件电路来实现，如果硬件电路已经确定，软件的功能也就基本上确定了，因为软件程序的编译是基于STM32单片机编程。软件部分可分为主程序和子程序，主程序是整个控制系统的核心，用于调节和处理各模

15、块之间的关系。子程序是各个模块实现实质性的功能，其主要子程序包括：温度采集、键盘扫描、LCD显示、蜂鸣报警、LED、PID等。整个系统采用8080硬件连接接口，通信方式为USART。电路调试1.调试方法通过KEIL5编写程序，采用MCUISP软件将程序下载到开发板上进行调试2.问题及解决问题1：因为在程序中没有使用中断，按键在调节温度时，加上程序中延时的影响，不太灵敏。解决：设置程序运行次数变量，当程序运行指定次数时取出数据，减少延时按键也因此灵敏。问题2：整合程序时，电机未初始化，上电就全速运转。解决：由于按键程序中PA6口已经初始化，电机也插在PA6口上，两者冲突，导致电机上电就启动。问题

16、3：电机运行时，LCD白屏闪动。解决：电脑USB供电不稳，无法提供足够电压，减小PID中对最大占空比及初始占空比，使电机初始运行速度减慢。问题4：温度曲线变化太过平缓，无法明显显示只有少量波动。解决：参考PID中电机转速曲线，将y值放大5倍，可以明显看到变化。问题5：DHT11初始无法测出数据，一直失败解决：更换杜邦线之后有好转。测试结果上电后，屏幕上显示实时温度及初始设定温度，通过按键加减调整设定温度，当设定温度低于实时温度时，电机带动风扇开始工作，设定温度低于实时温度越多，电机转速越快，直到温度降到设定温度时，电机转速减缓，使温度始终维持到设定温度，同时屏幕下部显示电机转速变化曲线。关键代

17、码if(key=UP)玫up键，说定温匿增加，最夫到35更PID*SetValue+;ifPID3会七1口会：=35PID.SetValue=35;if(key=DOWN/Bedown键，竟定温度减小，最低到1右度RTDSetValue-;z_f(PID.SetVal口令=二一PID.SetValue=16;DHT1l_SetT_Lcd(PID.SetValue;if(PID.SetValuet)/若设定洛变大于买际rLEDl闪炼Ledl(1);Delayms(100):Ledl(0);Delay_ms(ICC!);Beep(1);Delay_ms(10;Beep(J);Delay_ms(1)

18、;PTD_Ctr1(t);/pidi.用图41主函数代码图项目二智能家居控制系统1概述选题意义在21世纪的今天人们的生活节奏越来越快，随之而来的是生活的压力也越来越大，家庭成为人们最温馨的场所，人们对自己温暖舒适的家居环境的要求也越来越高。现今的人们每天都过着朝九晚五的生活，同时来自社会各界的压力也愈发加大，使得家早已成为人们的避风港，但是传统的居家环境对各个家电的控制已经不能满足人们生活的需要。随着科学技术的飞速发展，电子行业的兴起，先进的科技与人们想要的居家环境擦出了绚丽的火花智能家居控制系统。计算机、嵌入式系统和网络通信技术逐步深入到各个领域，使得住宅和家用电器设备网络化和智能化，智能家

19、居已经开始出现在人们的生活中。智能家居控制系统(smarthomecontrolsystems,简称SCS)。它以住宅为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利舒适，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。近几年智能家居的发展迅速，市面上的产品也越来越多，但是也有很多不尽完美的地方，其主要原因是标准的不统一和权威产品的缺乏。随着科技的发展与技术的更新，智

20、能家居控制的开发与研究已成为国家经济发展的必然趋势，智能家居控制系统为人们提供更为人性化的设计，智能的为人们提供温度、湿度等空气成分的检测，智能的为人们打造适宜的生活环境，为人们快节奏的生活减小压力的同时提供了巨大的方便。设计目标本次项目是以STM32F103RCT6为主控板，加上LCD显示屏、语音识别模块、ZigBee通信模块以及RGB模块，可以最终实现两个主控板可以通过ZigBee组网进行通信，一个主控板作为协调器，另一个作为终端设备，相互之间收发数据，并且协调器能通过语音模块同时控制两个设备上灯的状态。总体设计2.1总体方案整个设计是分别将TFTLCD显示屏、语音识别模块LD3320、Z

21、igBee通信模块以及RGB彩灯模块硬件连接到单片机STM32F103RCT6上，分别实现LCD显示、语音控制LED灯和RGB彩灯的状态、ZigBee组网通信和收发数据正常以及协调器可控制终端设备。设计框图图2-1总体模块设计图详细设计与实现3.1STM32最小系统模块模块简介：(1)时钟源：芯片时钟源有4个HSE:做系统时钟源HSI:做系统时钟源LSE:RTC的时钟源(realtimeclock)LSI:做看门狗时钟源(2)内核时钟源：a)HSE振荡器时钟：高速外部时钟信号(HSE)由以下两种时钟源产生：HSE外部晶体/陶瓷谐振器和HSE用户外部时钟。为了减少时钟输出的失真和缩短启动稳定时间

22、，晶体/陶瓷谐振器和负载电容器必须尽可能地靠近振荡器引脚。负载电容值必须根据所选择的振荡器来调整。b）HSI振荡器时钟：HSI时钟信号由内部8MHz的RC振荡器产生，可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入。RC振荡器能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟。它的启动时间比HSE晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差。c）PLL时钟：内部PLL可以用来倍频HSIRC的输出时钟或HSE晶体输出时钟。PLL的设置（选择HIS振荡器除2或HSE振荡器为PLL的输入时钟，和选择倍频因子）必须在其被激活前完成。一旦PLL被激活，这些参数就不能被改动。如果PLL中断在时钟中断寄存

23、器里被允许，当PLL准备就绪时，可产生中断申请。如果需要在应用中使用USB接口，PLL必须被设置为输出48或72MHZ时钟，用于提供48MHz的USBCLK时钟。模块功能：该模块的主要任务是完成实现与各个模块之间的串口通信，是命令的集中处理地。TFTLCD显示屏TFTLCD又叫薄膜晶体管液晶显示屏，其管脚在STM32F103中有相应的管脚对应。常用的液晶屏接口有很多种，8位、9位、16位、18位都有。屏的大小为2.8寸，像素是240*240，采用的是RGB三色显示，是RGB565格式，也就是说每一个像素点的颜色控制所需要的数据量为两个字节16位，在调色的时候，R（红色）占5位，G（绿色）占6位

24、，B（蓝色）占5位。正常的是每一种颜色都是6位，甚至还有8位。而常用的模式呢，主要有8080模式和6800模式两种。本次项目使用的是8080并行接口，有5条基本的控制线和多条数据线。5条控制线分别是：WR（写使能）、RD（读使能）、D/C（命令或数据选择）、RST（复位）。这个LCD屏是一整个模块提供，函数也写好了，只需在主函数里调用不同的函数显示自己所需的内容，比如单个字符、字符串、汉字（需要用汉字字模生成器）以及图片。3.3LD3320语音识别模块1.模块简介LD3320芯片是一款“语音识别”专用芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器、麦克风接口、声音输出接口

25、等。本芯片不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。2.模块功能：通过自己设置的关键词语列表，语音控制实现流水灯，彩灯，闪烁等，并将语音的内容通过串口回显在电脑上。ZigBee通信模块1.模块简介ZigBee是一种基于标准的远程监控、控制和传感器网络应用技术。为满足人们对支持低数据速率、低功耗、安全性和可靠性，而且经济高效的标准型无线网络解决方案的需求，ZigBee标准应运而生。核心市场是消费类电子产品、能源管理和效率、医疗保健、家庭自动化、电信服务、楼宇自动化以及工业自动化。围绕

26、ZigBee芯片技术推出的外围电路，称之为“ZigBee模块”，常见的ZigBee模块都是遵循IEEE802.15.4的国际标准，并且运行在2.4GHZ的频段上。2.模块功能该模块实现协调器与终端之间的短距离通信，协调器通过串口与STM32相连获取相应的语音命令信息，发给终端，终端再将命令传给STM32，从而控制终端上LED灯流水，闪烁，彩灯亮等操作。RGB彩灯即红绿蓝三种彩灯的合并初始化配置函数已给，如图31所示，调用也很简单，可以使其进入“全彩打开”模式，也可以使其亮单色灯的。在语音识别时，可以语音控制它的状态。voidl*ntern_C!nfig(void)Def*GPIC_lniGSc

27、iuce;ElOC_APa2PeripnClMJcCnid(8CC_AtB2EeripH_UPIQC,ENhSLE);/打开f:时舁畔工匚_HodeGFIC_Mode_Ouc_&?;-C5E-I0_Fin_oTi5I0_iD_ZIGPI0_Fm_i:/SW弓I吗亡SGFHCi二弓*GPl0_Sp*d_50HH2r(GPICX：iGPIOKiESEtu亡匸亍；HE.D_CTLl|O!l；SREENjZTL冋:HLKE_CTL(0);/初姑找态是全形关运的图31RGB初始化SPI通信总线串行通信常用方式：USART（UART）、SPI（通信距离10m左右）、I2C（差分信号）、CAN（差分信号，主

28、要用于工业，信号稳定要求比较高的环境，通信距离最大1280m）。SPI：高速同步串行通信，最高40M,硬件来说主要是时钟线，主从机（如何确认主从机？由哪个节点控制时钟线，哪个就是主机）。硬件连接：（不交叉，直接连）MISO:主机输入，从机输出MOSI:主机输出，从机输入SCK：时钟线NSS：从机选择线（一般不用）3线SPI&4线SPI区别：是否有NSS通信的硬件协议：上升沿发送，下降沿接收，高位在前（标准SPI的协议）时钟极性：在总线空闲时，时钟线所处于的状态时钟相位：数据传输时，从第一个或第二个跳变沿进行数据的发送或接收在应用时SPI总线可以采用芯片上所嵌入的硬件模块，也可以采用普通的IO口

29、实现SPI通信使用硬件模块程序：（使用软件可以拆开写）u8SPI_SendReceive（u8dat）for（u8i=0;i8;i+）SCK=0;if（dat&0 x80）MOSI=1;elseMOSI=0;SCK=1;dat4nAsrRfr92=C0Et_BELL0、nocdcarx;WitchAnAitW八对垢竇:执U+8笑昌惟.番声悸啟TICODE_LSDr八命#源木叮c/71d332CPli3fC.k.H(jJ，!i?ZijbeieCGfflSend(*1:丄edStfttua-LED_5L1D;printf水fT叩金含识剧或功Wn1】；/teKt-r,.break;caseCCOE=

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