摘要本研究主要關(guān)注基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，隨著智能家居迅速發(fā)展，傳統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)在功能以及操作便利性方面的欠缺日益明顯，已無法契合人們不斷增長(zhǎng)的智能化生活需求，此系統(tǒng)選用STM32F103RCT6單片機(jī)當(dāng)作主控芯片，依靠其強(qiáng)大的處理能力與豐富的外設(shè)資源，聯(lián)合DS18B20防水溫度傳感器、0.96寸SPI接口OLED顯示屏、5V直流防水型70W加熱棒及驅(qū)動(dòng)模塊、ESP8266-WiFi模塊，構(gòu)建了一套功能齊全的智能水溫控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)方面，各個(gè)模塊緊密協(xié)作，DS18B20傳感器精確采集水溫，OLED顯示屏實(shí)時(shí)展示水溫以及設(shè)定值，加熱模塊高效調(diào)控水溫，ESP8266-WiFi模塊達(dá)成手機(jī)APP與系統(tǒng)的無線通信，軟件層面，主程序協(xié)同各個(gè)模塊程序，完成按鍵掃描、數(shù)據(jù)采集與處理、加熱控制以及數(shù)據(jù)顯示和傳輸?shù)裙δ?。借助PID控制算法，系統(tǒng)可把水溫精確控制在設(shè)定值的±0.5℃范圍以內(nèi)，有效防止溫度波動(dòng)，經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，響應(yīng)速度快，達(dá)成了水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、本地顯示與交互以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，本系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)的弊病，給用戶給予了智能化、便捷化的用水體驗(yàn)，在智能家居領(lǐng)域有著較高的應(yīng)用價(jià)值以及廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；水溫控制；DS18B20傳感器；PID算法

AbstractThisstudymainlyfocusesonthedesignandimplementationofintelligentwatertemperaturecontrolsystembasedonSTM32,withtherapiddevelopmentofsmarthome,thelackoftraditionalwatertemperaturecontrolsystemintermsoffunctionandoperationconvenienceisincreasinglyobvious,anditcannolongermeetthegrowingneedsofpeople'sintelligentlifeDS18B20STM32F103RCT6.The0.96-inchSPIinterfaceOLEDdisplay,5VDCwaterproof70Wheatingrodanddrivermodule,andESP8266-WiFimodulebuildafullyfunctionalintelligentwatertemperaturecontrolsystem.Intermsofhardwaredesign,eachmoduleworkscloselytogethertoaccuratelycollectthewatertemperatureDS18B20thesensor,theOLEDdisplaydisplaysthewatertemperatureandthesettingvalueinrealtime,theheatingmoduleefficientlycontrolsthewatertemperature,andtheESP8266-WiFimoduleachievesthewirelesscommunicationbetweenthemobilephoneAPPandthesystem.WiththehelpofPIDcontrolalgorithm,thesystemcanaccuratelycontrolthewatertemperaturewithintherangeof±0.5°Cofthesetvalue,effectivelypreventtemperaturefluctuations,aftertesting,thesystemrunsstablyandreliably,theresponsespeedisfast,andthereal-timemonitoringofwatertemperature,preciseadjustment,localdisplayandinteractionandremotemonitoringandcontrolareachieved,thesystemeffectivelysolvestheshortcomingsofthetraditionalwatertemperaturecontrolsystem,givesusersanintelligentandconvenientwaterexperience,andhasahighapplicationvalueandbroaddevelopmentprospectsinthefieldofsmarthome.Keywords：STM32single-chipmicrocomputer;watertemperaturecontrol;DS18B20sensor;PIDalgorithm目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 71.1課題背景 71.2課題研究的目的和意義 71.2.1研究目的 71.2.2研究意義 71.3國(guó)內(nèi)外概況 81.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 81.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 81.4課題的主要研究工作 9第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究 102.1系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與性能要求 102.1.1控制特點(diǎn) 102.1.2性能要求 102.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理 102.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析 112.3.1主控芯片選擇 112.3.2溫度檢測(cè)模塊 112.3.3按鍵輸入模塊 112.3.4顯示模塊 112.3.5無線通信模塊 122.4方案的分析比較 12第3章系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 143.1主控芯片選用 143.2水溫傳感器選用 143.3顯示模塊設(shè)計(jì) 153.4加熱模塊設(shè)計(jì) 163.5無線通信模塊選用與設(shè)計(jì) 16第4章系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 184.1主程序設(shè)計(jì) 184.2其他模塊程序設(shè)計(jì) 184.2.1溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取程序 184.2.2按鍵掃描程序 194.2.3OLED顯示程序 194.2.4加熱控制程序 194.2.5WiFi通信程序 19第5章總結(jié)與展望 215.1研究成果總結(jié) 215.2未來研究展望 21致謝 23參考文獻(xiàn) 24

第1章緒論1.1課題背景在當(dāng)今科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，智能化技術(shù)正以超乎尋常的速度滲透到人們生活的各個(gè)方面，其中家居生活的智能化變革表現(xiàn)得格外突出，隨著人們生活水準(zhǔn)的提高，對(duì)于生活品質(zhì)的追求變得變得日益強(qiáng)烈，家庭用水的溫度控制需求也日益朝著多樣化和精細(xì)化的方向發(fā)展，在日常的用水情形中，像熱水器、浴缸以及智能水暖系統(tǒng)等設(shè)備，對(duì)水溫的精準(zhǔn)把控和智能化管理的要求變得越來越高。傳統(tǒng)的水溫控制系統(tǒng)普遍存在功能較為單一的狀況，一般只能達(dá)成基本的加熱或者制冷功能，沒辦法契合用戶對(duì)水溫的個(gè)性化需求，其操作方式也比較繁雜，用戶需要在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)開展復(fù)雜的操作，缺少便捷性，更為關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，用戶在離開設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候無法實(shí)時(shí)知曉水溫狀態(tài)，也很難進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，這與現(xiàn)代快節(jié)奏的生活方式嚴(yán)重不相適應(yīng)。微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及控制算法不斷取得進(jìn)步，為智能水溫控制系統(tǒng)的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持，STM32系列單片機(jī)憑借其高性能、豐富的外設(shè)資源以及良好的性價(jià)比，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，高精度的溫度傳感器，例如DS18B20，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精準(zhǔn)測(cè)量。無線通信技術(shù)，比如ESP8266-WiFi模塊，讓設(shè)備有了遠(yuǎn)程通信能力，先進(jìn)的控制算法，像PID算法，為水溫的精確控制提供了有效的辦法，在這樣的技術(shù)背景以及市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，研發(fā)基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)有關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義。1.2課題研究的目的和意義1.2.1研究目的本課題要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款以STM32為基礎(chǔ)的智能水溫控制系統(tǒng)，借助STM32F103RCT6單片機(jī)有的強(qiáng)大處理能力以及豐富的外設(shè)資源，再聯(lián)合DS18B20溫度傳感器、OLED顯示屏、加熱模塊、ESP8266-WiFi模塊以及Android手機(jī)APP，達(dá)成水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、本地顯示與交互以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制等功能。采用PID控制算法，保證水溫可以穩(wěn)定在用戶設(shè)定的范圍之內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)給予優(yōu)化，提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性以及節(jié)能效果，契合用戶多樣的水溫控制需求。1.2.2研究意義從用戶體驗(yàn)方面來講，此系統(tǒng)可提升用戶在家庭用水場(chǎng)景里的舒適度以及便捷性，用戶可依靠本地物理按鍵輕松調(diào)整水溫，而且可借助Android手機(jī)APP在任何時(shí)間任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程查看水溫并實(shí)施調(diào)控，契合不同場(chǎng)景下的個(gè)性化水溫需求，切實(shí)達(dá)成智能化的用水體驗(yàn)，在節(jié)能這一塊，系統(tǒng)憑借實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫并運(yùn)用PID算法精準(zhǔn)控制加熱棒功率，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)過度加熱或者加熱不足而造成的能源浪費(fèi)，有效減少了能源消耗，契合當(dāng)前社會(huì)所倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念。在技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，本課題把現(xiàn)代微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、控制算法以及移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)結(jié)合在一起，為智能家居領(lǐng)域的水溫控制技術(shù)提供了新的解決辦法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有利于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)融合與發(fā)展，從市場(chǎng)應(yīng)用角度來看，該智能水溫控制系統(tǒng)有著廣闊的市場(chǎng)前景。隨著智能家居市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)智能水溫控制設(shè)備的需求也在不斷增長(zhǎng)，本系統(tǒng)成功研發(fā)和應(yīng)用，有望為相關(guān)企業(yè)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，推動(dòng)智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1.3國(guó)內(nèi)外概況1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國(guó)，智能家居市場(chǎng)近些年來呈現(xiàn)出蓬勃興起的狀況，智能溫度控制相關(guān)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的研究和應(yīng)用，就溫度傳感器來講，雖然各類溫度傳感器在市場(chǎng)中被廣泛運(yùn)用，但是部分產(chǎn)品在精度以及穩(wěn)定性方面仍然存在一定的提升余地，在復(fù)雜的環(huán)境情形下，比如溫度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)、存在強(qiáng)電磁干擾或者處于高濕度環(huán)境時(shí)，現(xiàn)有的一些溫度傳感器很難保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，對(duì)水溫調(diào)節(jié)的精度以及系統(tǒng)的可靠性造成影響。在溫控系統(tǒng)的研究過程中，國(guó)內(nèi)的學(xué)者與企業(yè)在能效優(yōu)化以及用戶體驗(yàn)提升方面取得了一定成果，例如憑借改進(jìn)控制算法、優(yōu)化硬件電路設(shè)計(jì)等方式，提高了溫控系統(tǒng)的能源利用效率，在用戶交互層面，部分產(chǎn)品增加了圖形化界面、語音控制等功能，提升了用戶操作的便捷程度，然而在系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力以及響應(yīng)速度方面，依舊有待提高。在溫度傳感器的抗干擾能力優(yōu)化以及控制算法在復(fù)雜工況下的性能提升方面，還需要開展深入的研究與探索。1.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外于智能水溫控制領(lǐng)域展開研究的時(shí)間比較早，其技術(shù)發(fā)展得較為成熟，重點(diǎn)聚焦于嵌入式系統(tǒng)跟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，諸多研究運(yùn)用STM32這類高性能微控制器，聯(lián)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及控制算法，達(dá)成了高效且精準(zhǔn)的溫度控制，在控制算法這一方面，除了廣泛運(yùn)用的PID控制算法之外，模糊控制、自適應(yīng)控制等智能控制方法也大量應(yīng)用于水溫控制系統(tǒng)之中。這些智能控制算法可依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，切實(shí)提升了溫控精度以及系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，在遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)節(jié)方面，國(guó)外的研究借助先進(jìn)的無線通信技術(shù)，達(dá)成了對(duì)水溫控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控以及精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，憑借開發(fā)功能豐富的手機(jī)APP或者網(wǎng)頁端監(jiān)控平臺(tái)，用戶可在任何時(shí)間任何地點(diǎn)獲取水溫信息并且進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，較大提升了用戶的使用體驗(yàn)。國(guó)外在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及安全性方面也開展了研究，從硬件設(shè)計(jì)直至軟件算法，都采取了一系列舉措來保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下可穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，保障用戶的使用安全。1.4課題的主要研究工作本課題針對(duì)基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)開展了諸多研究工作，在硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，經(jīng)過細(xì)致挑選，確定采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，該芯片有強(qiáng)大處理能力與豐富外設(shè)資源，可為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及功能實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵支持，選用DS18B20防水式溫度傳感器，其能在潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定且精準(zhǔn)地測(cè)量水溫。采用0.96寸SPI接口OLED顯示屏，用于實(shí)時(shí)呈現(xiàn)當(dāng)前水溫和預(yù)設(shè)溫度上限閾值，為用戶提供直觀的信息顯示，加熱模塊選用5V直流防水型70W加熱棒，并設(shè)計(jì)了專用驅(qū)動(dòng)模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的精確控制，可快速且穩(wěn)定地調(diào)節(jié)水溫，集成ESP8266-WiFi模塊，將其配置成熱點(diǎn)模式，可為手機(jī)APP與設(shè)備之間搭建可靠的無線通信鏈路。在軟件設(shè)計(jì)方面，為STM32單片機(jī)編寫底層驅(qū)動(dòng)代碼，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集、加熱棒功率的精確控制以及與WiFi模塊的穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信，基于Qt平臺(tái)開發(fā)Android手機(jī)APP，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議達(dá)成手機(jī)與設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用戶可遠(yuǎn)程查看水溫、設(shè)置溫度上限閾值，并接收設(shè)備狀態(tài)信息。研究并實(shí)現(xiàn)基于PID的恒溫控制算法，依據(jù)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定目標(biāo)溫度的偏差，計(jì)算出最佳加熱輸出值，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確控制，保證水溫穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，在系統(tǒng)集成與測(cè)試階段，完成初步軟硬件集成后，開展全面的單元測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試以及實(shí)地運(yùn)行測(cè)試，借助單元測(cè)試驗(yàn)證各個(gè)硬件模塊和軟件功能模塊的正確性與穩(wěn)定性，借助系統(tǒng)集成測(cè)試檢驗(yàn)各模塊之間的協(xié)同工作能力以及數(shù)據(jù)交互的準(zhǔn)確性，借助實(shí)地運(yùn)行測(cè)試，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中測(cè)試系統(tǒng)的性能，囊括水溫控制精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程控制功能等。依據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，比如調(diào)整PID參數(shù)以優(yōu)化控溫效果、改進(jìn)通信協(xié)議以提高通信效率、優(yōu)化APP界面以提高用戶體驗(yàn)等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面總結(jié)和評(píng)估，分析系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足之處，為后續(xù)研究和改進(jìn)指明方向，結(jié)合市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，探索系統(tǒng)在智能家居領(lǐng)域的拓展與應(yīng)用。

第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究2.1系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與性能要求2.1.1控制特點(diǎn)這款智能水溫控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出高精度、智能化以及遠(yuǎn)程控制等特性，其選用DS18B20溫度傳感器，該傳感器精度可達(dá)到±0.5攝氏度，可在實(shí)時(shí)狀態(tài)下精準(zhǔn)采集水溫?cái)?shù)據(jù)，為溫度控制給予可靠的依據(jù)，借助STM32F103C8T6單片機(jī)的程序邏輯，并結(jié)合按鍵操作，得以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度值的靈活設(shè)定，以此契合不同用戶的個(gè)性化需求。依靠Esp8266無線模塊與手機(jī)app進(jìn)行通信，達(dá)成遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的目的，用戶可在任何時(shí)間任何地點(diǎn)獲取水溫信息并且調(diào)整設(shè)定值，提高了系統(tǒng)的便捷性以及智能化程度。2.1.2性能要求關(guān)于溫度控制精度，系統(tǒng)要保證水溫穩(wěn)定在設(shè)定值的正負(fù)0.5攝氏度范圍以內(nèi)，以此減少溫度的波動(dòng)情況，提升用戶的體驗(yàn)感受，在響應(yīng)速度方面，一旦水溫偏離設(shè)定值或者用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)迅速做出響應(yīng)，及時(shí)對(duì)加熱狀態(tài)給予調(diào)整，讓水溫可盡快恢復(fù)到設(shè)定范圍，對(duì)于穩(wěn)定性而言，系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行期間，不會(huì)受到環(huán)境因素的干擾，可持續(xù)穩(wěn)定地工作，以此保障水溫控制的準(zhǔn)確與可靠。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性同樣十分關(guān)鍵，Oled顯示屏要實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確地顯示出水溫以及設(shè)定值，手機(jī)app與系統(tǒng)之間的通信要保證數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)并且沒有差錯(cuò)，保證用戶可及時(shí)獲取最新信息，并且可以有效控制設(shè)備。2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理系統(tǒng)把單片機(jī)當(dāng)作核心控制單元，防水溫度傳感器負(fù)責(zé)把水溫轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)其展開處理，按鍵電路跟單片機(jī)相連，用戶可借助按鍵設(shè)定加熱溫度，單片機(jī)接收按鍵信號(hào)并儲(chǔ)存該設(shè)定值，顯示屏和單片機(jī)通信，接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，用來顯示當(dāng)前水溫、設(shè)定溫度等信息。無線模塊與單片機(jī)連接，承擔(dān)著把單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)app，以及接收app端控制指令并反饋給單片機(jī)的工作，當(dāng)app端用戶設(shè)定新的溫度值或者查看水溫時(shí)，無線模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，在溫度控制環(huán)節(jié)，單片機(jī)將實(shí)時(shí)采集到的水溫與設(shè)定溫度作對(duì)比，依據(jù)兩者的偏差值，采用相應(yīng)的控制算法來調(diào)整加熱設(shè)備的工作狀態(tài)。要是水溫低于設(shè)定值，單片機(jī)控制加熱模塊開啟或者加大加熱功率，要是水溫高于設(shè)定值，就控制加熱模塊停止加熱或者降低功率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確控制。圖2.1系統(tǒng)功能框圖2.3系統(tǒng)器件選型2.3.1主控芯片選擇STM32F103C8T6單片機(jī)是意法半導(dǎo)體所推出的一款32位微控制器，它基于ARMCortex-M3內(nèi)核，這款單片機(jī)的工作頻率可達(dá)到72MHz，擁有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以迅速處理溫度采集數(shù)據(jù)、按鍵輸入信號(hào)以及無線通信數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，它有著豐富的外設(shè)資源，像多個(gè)通用輸入輸出端口、定時(shí)器、串口通信接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等，這為連接溫度傳感器、按鍵、Oled顯示屏、Esp8266無線模塊等外部設(shè)備給予了便利。比如，憑借GPIO端口可連接按鍵以獲取用戶輸入，還可以連接Oled顯示屏來進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，利用ADC模塊可把溫度傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理，借助串口通信接口可實(shí)現(xiàn)與Esp8266無線模塊的數(shù)據(jù)交互，該單片機(jī)有較高的性價(jià)比，在契合系統(tǒng)性能要求之際，可有效控制成本，適合用于本智能水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖2.2STM32F103C8T6實(shí)物圖2.3.2溫度檢測(cè)模塊選型溫度檢測(cè)運(yùn)用的是DS18B20防水溫度傳感器，該傳感器采用單總線通信協(xié)議，僅僅依靠一根數(shù)據(jù)線就能和單片機(jī)開展數(shù)據(jù)傳輸，這使得電路設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化，它有著獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及溫度檢測(cè)原理，有較高的溫度測(cè)量精度與穩(wěn)定性，在防水設(shè)計(jì)的幫助之下，可直接安裝于水中，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地對(duì)水溫進(jìn)行檢測(cè)。其測(cè)量范圍一般是-55℃至+125℃，可以契合常見家庭用水場(chǎng)景的溫度測(cè)量要求，在工作的時(shí)候，DS18B20內(nèi)部的溫度敏感元件會(huì)把水溫轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由單總線發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)依照DS18B20的通信協(xié)議，發(fā)送指令讀取溫度數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行后續(xù)的處理與分析，為水溫控制提供準(zhǔn)確依據(jù)。圖2.3DS18B20實(shí)物圖2.3.3按鍵輸入模塊選型按鍵電路采用獨(dú)立按鍵連接方式，每個(gè)按鍵一端連接至STM32F103C8T6單片機(jī)的GPIO引腳，另一端接地。當(dāng)按鍵未被按下時(shí)，與之相連的GPIO引腳為高電平；按下按鍵后，引腳電平被拉低，單片機(jī)通過檢測(cè)GPIO引腳的電平變化識(shí)別按鍵操作。為防止按鍵抖動(dòng)影響檢測(cè)準(zhǔn)確性，可采用軟件延時(shí)消抖或硬件消抖電路。按鍵在系統(tǒng)中承擔(dān)著設(shè)定加熱溫度值的重要功能。用戶通過按鍵操作向單片機(jī)輸入設(shè)定溫度，單片機(jī)根據(jù)按鍵輸入調(diào)整內(nèi)部存儲(chǔ)的設(shè)定溫度值，并依據(jù)新的設(shè)定值進(jìn)行水溫控制，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)水溫的個(gè)性化設(shè)定。圖2.4獨(dú)立按鍵實(shí)物圖2.3.4顯示模塊選型顯示模塊所選用的是OLED模塊，該Oled顯示屏選用的是適配STM32F103C8T6單片機(jī)的型號(hào)，借助I2C通信協(xié)議來同單片機(jī)開展數(shù)據(jù)傳輸，I2C協(xié)議僅需兩根線，也就是SCL時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線，便可達(dá)成多個(gè)設(shè)備之間的通信，占用單片機(jī)引腳資源較少，SPI協(xié)議有高速數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，可迅速把單片機(jī)的數(shù)據(jù)顯示于Oled屏上。Oled顯示屏擁有自發(fā)光、對(duì)比度高、視角廣、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，可清晰地顯示各類信息，囊括中文、數(shù)字、圖形等，在本系統(tǒng)當(dāng)中，其用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水溫、設(shè)定溫度值以及系統(tǒng)狀態(tài)等信息，使得用戶可以直觀地知曉系統(tǒng)工作狀況，便于進(jìn)行操作與監(jiān)控。圖2.5OLED模塊實(shí)物圖2.3.5無線通信模塊選型無線通信模塊選用的是Esp8266模塊，Esp8266無線模塊屬于低成本的Wi-Fi模塊，它支持多種工作模式，在本系統(tǒng)里被配置成熱點(diǎn)模式也就是AP模式，手機(jī)app借助連接Esp8266模塊創(chuàng)建的熱點(diǎn)，與系統(tǒng)構(gòu)建起通信鏈路，Esp8266模塊擁有強(qiáng)大的無線數(shù)據(jù)傳輸能力，可把單片機(jī)采集到的水溫?cái)?shù)據(jù)以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等發(fā)送給手機(jī)app，同時(shí)還可以接收app端用戶輸入的設(shè)定溫度值等控制指令，并且將指令轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)。依靠這樣的形式，達(dá)成了用戶在手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控以及控制水溫的功能，突破了距離方面的限制，使得系統(tǒng)的智能化以及便捷性得到了提升，不過在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，需要考慮無線信號(hào)的穩(wěn)定性以及傳輸距離等因素，可以依靠?jī)?yōu)化天線設(shè)計(jì)、調(diào)整模塊工作參數(shù)等辦法提高通信質(zhì)量。圖2.6ESP8266模塊實(shí)物圖2.4方案的分析比較跟其他類似的水溫控制系統(tǒng)方案比起來，本方案有著自身的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，在主控芯片挑選上，和一些8位單片機(jī)不一樣，STM32F103C8T6有高性能以及豐富的外設(shè)資源，在處理復(fù)雜任務(wù)以及連接多個(gè)外部設(shè)備的時(shí)候更有優(yōu)勢(shì)，可契合系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性以及多功能性的要求，在溫度檢測(cè)層面，防水DS18B20溫度傳感器有著高精度以及防水設(shè)計(jì)，適用于多種水環(huán)境，并且單總線通信方式讓電路得到了簡(jiǎn)化。和一些模擬溫度傳感器相比，減少了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，降低了成本與電路復(fù)雜度，同時(shí)提升了溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，按鍵輸入模塊采用獨(dú)立按鍵連接方式，簡(jiǎn)單又可靠，容易實(shí)現(xiàn)與維護(hù)，和觸摸式按鍵相比，雖說在外觀美觀度上可能稍微差一些，但是在穩(wěn)定性與抗干擾性方面表現(xiàn)更佳，能有效避免誤操作，保證用戶輸入的準(zhǔn)確性。顯示模塊選用的Oled顯示屏，和傳統(tǒng)的LCD顯示屏相比，有自發(fā)光、對(duì)比度高、視角廣等優(yōu)點(diǎn)，顯示效果更為清晰，能在不同角度與光照條件下為用戶提供不錯(cuò)的視覺體驗(yàn)，并且其支持中文、數(shù)字、圖形顯示，可展示更豐富的系統(tǒng)信息，無線通信模塊Esp8266的應(yīng)用，讓系統(tǒng)擁有了遠(yuǎn)程控制功能，這是傳統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)所沒有的。和藍(lán)牙等其他短距離無線通信技術(shù)相比，Wi-Fi通信的傳輸距離更遠(yuǎn)，更契合家庭環(huán)境下的遠(yuǎn)程控制需求，不過Wi-Fi模塊的功耗相對(duì)較高，在電池供電的系統(tǒng)中可能要考慮功耗問題，不過在本系統(tǒng)接入外部電源的情況下，這一問題影響較小，這個(gè)基于STM32F103C8T6單片機(jī)的智能水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在契合系統(tǒng)控制特點(diǎn)與性能要求方面有較好表現(xiàn)，各模塊的選擇與設(shè)計(jì)相互配合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、高精度溫度控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，有較高的可行性與應(yīng)用價(jià)值。

第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控電路設(shè)計(jì)主控電路以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，其豐富的引腳資源為系統(tǒng)各功能模塊連接提供了便利。電源供應(yīng)方面，單片機(jī)的VDD引腳連接3.3V電源，為芯片內(nèi)核及數(shù)字外設(shè)供電；VSS引腳接地，構(gòu)成電源回路。VBAT引腳在特定應(yīng)用場(chǎng)景下可連接備用電池，用于保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）等低功耗電路在主電源掉電時(shí)仍能正常工作。時(shí)鐘電路是單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。高速外部時(shí)鐘（HSE）由8M晶振Y1及電容C13、C14構(gòu)成，連接至OSCIN和OSCOUT引腳，為系統(tǒng)提供高頻時(shí)鐘信號(hào)，可用于CPU及高速外設(shè)的工作時(shí)鐘。低速外部時(shí)鐘（LSE）由32.768K晶振Y3及電容C12、C8組成，連接到PC14和PC15引腳，主要為RTC等需要低功耗、精確計(jì)時(shí)的模塊提供時(shí)鐘源。復(fù)位電路保障單片機(jī)可靠啟動(dòng)和異常恢復(fù)。復(fù)位按鍵SW1、電容C2和電阻R2構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路，按下SW1可使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。正常工作時(shí)，電容C2充電，為復(fù)位引腳提供穩(wěn)定電平；按下按鍵時(shí)，電容迅速放電，使復(fù)位引腳電平拉低，觸發(fā)單片機(jī)復(fù)位。啟動(dòng)模式配置由BOOT0和BOOT1引腳決定。通過上拉或下拉電阻（R3、R4）設(shè)置不同的電平組合，可選擇從主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或SRAM啟動(dòng)，滿足開發(fā)調(diào)試和產(chǎn)品發(fā)布等不同階段需求。單片機(jī)的眾多通用I/O引腳（如PA、PB、PC等端口）用于連接溫度檢測(cè)、按鍵輸入、顯示、無線通信及加熱控制等外圍電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、用戶交互、信息顯示、遠(yuǎn)程通信和控制等功能，使單片機(jī)成為整個(gè)智能水溫控制系統(tǒng)的控制中樞。圖3.1主控電路原理圖3.2溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)采用防水DS18B20溫度傳感器。在原理圖中，DS18B20的VDD引腳連接到5V電源，為傳感器供電；GND引腳接地；DQ引腳通過1K電阻R7連接到STM32F103C8T6的一個(gè)通用I/O口（圖中未明確標(biāo)注具體引腳，但在實(shí)際電路中應(yīng)連接到單片機(jī)可配置為單總線通信的引腳）。這種連接方式利用DS18B20的單總線特性，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間簡(jiǎn)單可靠的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)DS18B20檢測(cè)到水溫變化時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)通過DQ引腳以單總線協(xié)議發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度處理和控制。圖3.2溫度檢測(cè)電路原理圖3.3加熱控制電路設(shè)計(jì)加熱控制電路主要由繼電器和加熱模塊組成。繼電器選用型號(hào)為Relay-1的繼電器，其控制端連接到STM32F103C8T6的一個(gè)I/O口（原理圖中通過10K電阻R3連接到Q2（S8050）三極管的基極，Q2的集電極連接到繼電器的控制端，發(fā)射極接地，5V電源通過1K電阻R2連接到Q2的基極，起到限流作用）。當(dāng)單片機(jī)根據(jù)溫度檢測(cè)結(jié)果判斷需要加熱時(shí)，通過控制該I/O口輸出高電平，使Q2導(dǎo)通，繼電器線圈通電，常開觸點(diǎn)閉合，從而使加熱模塊（J2）接入5V電源開始加熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制I/O口輸出低電平，Q2截止，繼電器線圈斷電，常開觸點(diǎn)斷開，加熱模塊停止加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確控制。圖3.3加熱控制電路原理圖3.4顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路采用OLED顯示屏，型號(hào)為U2。OLED顯示屏的VCC引腳連接到5V電源，GND引腳接地，為顯示屏提供工作電源。SCL（時(shí)鐘線）和SDA（數(shù)據(jù)線）引腳分別連接到STM32F103C8T6的PB10和PB11引腳，通過I2C通信協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)、設(shè)定溫度值等信息通過I2C協(xié)議發(fā)送給OLED顯示屏，OLED顯示屏根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的顯示，方便用戶直觀地查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖3.4OELD顯示電路原理圖3.5無線通信電路設(shè)計(jì)無線通信模塊選用的是ESP8266，其具體型號(hào)為U35，ESP8266的VCC引腳與3.3V電源相連，GND引腳則接地，TXD引腳和RXD引腳分別連接至STM32F103C8T6的PA9引腳和PA10引腳，借助串口通信來和單片機(jī)開展數(shù)據(jù)交互，CH_PD引腳作為模塊使能引腳，高電平的時(shí)候有效，在電路里連接到3.3V電源，以此保證模塊一直處于工作狀態(tài)。GPIO2、GPIO0等引腳在系統(tǒng)里或許會(huì)用于其他功能，借助ESP8266模塊，系統(tǒng)可和手機(jī)APP構(gòu)建無線連接，達(dá)成手機(jī)APP對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及控制。手機(jī)APP可以實(shí)時(shí)顯示水溫?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)用戶也可以在APP端設(shè)定加熱溫度值，APP將設(shè)定值通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ESP8266模塊，再由ESP8266模塊轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。圖3.5ESP8266電路原理圖3.6電源電路設(shè)計(jì)電源電路為整個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定的工作電壓，該系統(tǒng)采用5V電源輸入，經(jīng)由電源母頭接入電路，電源開關(guān)K1用以控制整個(gè)系統(tǒng)的電源通斷情況，5V電源首先經(jīng)過一個(gè)104電容C5實(shí)施濾波操作，以此去除電源當(dāng)中的高頻雜波，之后接入AMS1117降壓芯片U3，AMS1117會(huì)把5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓，為STM32F103C8T6單片機(jī)、ESP8266模塊、OLED顯示屏等需要3.3V供電的芯片以及模塊提供穩(wěn)定的電源。在AMS1117的輸出端，連接一個(gè)220μf電容C6以及一個(gè)104電容C7進(jìn)行濾波處理，提升電源的穩(wěn)定性，3.3V電源還借助多個(gè)104電容分別連接到各個(gè)需要3.3V供電的芯片和模塊的電源引腳，發(fā)揮去耦和濾波的功效，保證系統(tǒng)各部分電路可穩(wěn)定運(yùn)行。圖3.6電源電路原理圖

第4章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)主程序身為整個(gè)系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵核心部分，承擔(dān)著協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作的職責(zé)，以此來保障系統(tǒng)穩(wěn)定且高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)啟動(dòng)之際，會(huì)先開展系統(tǒng)初始化操作，這其中涉及了對(duì)STM32F103RCT6單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)給予配置，挑選適宜的時(shí)鐘源以及分頻系數(shù)，保證單片機(jī)可以穩(wěn)定的頻率運(yùn)行，為后續(xù)的各類操作提供精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。緊接著會(huì)初始化GPIO引腳，把與DS18B20溫度傳感器、按鍵、OLED顯示屏、加熱模塊驅(qū)動(dòng)以及ESP8266-WiFi模塊相連的引腳設(shè)置成相應(yīng)的輸入輸出模式，并且進(jìn)行必要的上拉或者下拉電阻配置，以此保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，初始化DS18B20溫度傳感器，發(fā)送復(fù)位脈沖以及配置指令，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)，做好采集水溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)備。初始化OLED顯示屏，借助發(fā)送一系列初始化命令，設(shè)置顯示模式、亮度以及對(duì)比度等參數(shù)，保證顯示屏可正常顯示信息，對(duì)加熱模塊驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化，配置PWM輸出引腳的初始狀態(tài)，讓加熱棒處于關(guān)閉或者低功率狀態(tài)，防止系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加熱棒出現(xiàn)異常工作情況，初始化ESP8266-WiFi模塊，借助串口發(fā)送AT指令，配置其工作模式為AP模式，并且設(shè)置熱點(diǎn)名稱、密碼等參數(shù)，等待手機(jī)APP連接。完成系統(tǒng)初始化之后，主程序進(jìn)入循環(huán)執(zhí)行階段，在循環(huán)過程中，首先進(jìn)行按鍵掃描操作，依靠檢測(cè)按鍵對(duì)應(yīng)的GPIO引腳電平變化，判斷是否有按鍵被按下，要是有按鍵按下，依據(jù)按鍵的功能進(jìn)行相應(yīng)處理，比如調(diào)整加熱溫度設(shè)定值。接著讀取DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)，按照DS18B20的通信協(xié)議，發(fā)送讀取溫度指令，等待傳感器響應(yīng)并讀取溫度數(shù)據(jù)，將讀取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的水溫值。根據(jù)讀取的水溫值和預(yù)設(shè)的加熱溫度值，采用控制算法（如PID算法，若設(shè)計(jì)中有此算法）計(jì)算加熱模塊的輸出功率。如果水溫低于設(shè)定值，增加加熱模塊的功率；如果水溫高于設(shè)定值，降低加熱模塊的功率或關(guān)閉加熱模塊。將計(jì)算得到的功率值轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)的占空比，通過控制PWM輸出引腳的電平變化，驅(qū)動(dòng)加熱模塊工作。在每次調(diào)整加熱模塊功率后，將當(dāng)前水溫值和預(yù)設(shè)溫度值發(fā)送給OLED顯示屏進(jìn)行顯示，同時(shí)通過ESP8266-WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地顯示和遠(yuǎn)程傳輸。圖4.1主程序流程圖4.2其他模塊程序設(shè)計(jì)4.2.1溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取程序此程序承擔(dān)著從DS18B20溫度傳感器讀取水溫?cái)?shù)據(jù)的職責(zé)，一開始會(huì)發(fā)送復(fù)位脈沖，以此檢測(cè)DS18B20的存在脈沖，保證傳感器能正常運(yùn)行，接著發(fā)送跳過ROM指令以及讀取溫度指令，隨后等待傳感器完成溫度轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，當(dāng)傳感器準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，依照位操作的方式逐個(gè)讀取溫度數(shù)據(jù)的低位字節(jié)與高位字節(jié)。把讀取到的兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)加以組合，再依據(jù)DS18B20的分辨率給予處理，最終獲取實(shí)際的水溫值，在讀取進(jìn)程中，添加適量的延時(shí)，以此保障通信的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。圖4.2溫度讀取程序流程圖4.2.2按鍵掃描程序按鍵掃描程序運(yùn)用定時(shí)掃描的方式，以此防止按鍵抖動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，借助單片機(jī)的定時(shí)器來設(shè)定一個(gè)恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí)時(shí)間，比如說設(shè)定為10ms，定時(shí)器每出現(xiàn)一次溢出情況，便會(huì)觸發(fā)一次按鍵掃描操作，在掃描進(jìn)程當(dāng)中，會(huì)依照順序逐個(gè)檢測(cè)每個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的GPIO引腳的電平狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到某一個(gè)引腳的電平出現(xiàn)變化時(shí)，會(huì)采用軟件消抖的方法，延遲20ms之后再次對(duì)該引腳的電平進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)兩次檢測(cè)的結(jié)果一致時(shí)，才會(huì)認(rèn)定按鍵的狀態(tài)發(fā)生了改變，依據(jù)檢測(cè)到的按鍵狀態(tài)，去執(zhí)行相應(yīng)的功能，像是切換顯示頁面、調(diào)整加熱溫度設(shè)定值之類的。圖4.3按鍵掃描程序流程圖4.2.3OLED顯示程序OLED顯示程序作為系統(tǒng)信息可視化的關(guān)鍵部分，在系統(tǒng)啟動(dòng)之際，其按照OLED顯示屏的特性，發(fā)送一系列初始化命令，以此來完成顯示模式、亮度以及對(duì)比度的設(shè)置，為數(shù)據(jù)顯示做好相應(yīng)準(zhǔn)備，于數(shù)據(jù)顯示階段，程序會(huì)依據(jù)不同的顯示頁面，對(duì)采集到的水溫、預(yù)設(shè)溫度值以及系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理，像把水溫值轉(zhuǎn)變?yōu)閹в小啊妗眴挝坏淖址@種情況。隨后借助SPI通信協(xié)議，程序?qū)⒖刂浦噶钜约疤幚砗玫臄?shù)據(jù)發(fā)送至OLED顯示屏的指定位置進(jìn)行顯示，要是顯示頁面出現(xiàn)變化，程序會(huì)先把顯示屏原有的內(nèi)容清空，接著重新顯示新頁面信息，這樣方便用戶可清晰且準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)狀態(tài)。圖4.4OLED顯示程序流程圖4.2.4加熱控制程序加熱控制程序是維持水溫穩(wěn)定的核心。它接收主程序算出的加熱模塊輸出功率，依此控制STM32F103C8T6單片機(jī)引腳電平，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。當(dāng)需要加熱時(shí)，單片機(jī)引腳輸出高電平使繼電器閉合，加熱棒工作；無需加熱時(shí)，引腳輸出低電平，繼電器斷開，加熱棒停止工作。在加熱過程中，程序借助DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫，防止水溫異常。同時(shí)，程序還具備過流和過熱保護(hù)功能，一旦檢測(cè)到異常，便控制單片機(jī)切斷繼電器，及時(shí)切斷加熱電源，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖4.5加熱程序流程圖4.2.5WiFi通信程序WiFi通信程序承擔(dān)著系統(tǒng)與手機(jī)APP遠(yuǎn)程交互功能的實(shí)現(xiàn)任務(wù)，在系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入初始化階段時(shí)，該程序借助STM32F103C8T6單片機(jī)的串口向ESP8266-WiFi模塊發(fā)送AT指令，以此完成如工作模式、熱點(diǎn)參數(shù)等配置工作，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之際，程序會(huì)將系統(tǒng)采集到的水溫?cái)?shù)據(jù)以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等進(jìn)行整理，打包成特定的格式，隨后借助串口發(fā)送給ESP8266-WiFi模塊，達(dá)成數(shù)據(jù)上傳的目的，程序會(huì)接收由ESP8266-WiFi模塊轉(zhuǎn)發(fā)而來的手機(jī)APP控制指令，經(jīng)過解析之后傳遞給主程序，例如對(duì)預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行調(diào)整。為了保證數(shù)據(jù)傳輸可準(zhǔn)確且可靠，程序還增添了數(shù)據(jù)校驗(yàn)和重傳機(jī)制，以此保障系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。圖4.6WIFI發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖

第5章系統(tǒng)測(cè)試5.1測(cè)試目的本系統(tǒng)測(cè)試全面檢驗(yàn)基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)，看其功能是否完整、性能是否可靠、運(yùn)行是否穩(wěn)定，對(duì)各功能模塊與整體系統(tǒng)嚴(yán)格測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)能否準(zhǔn)確采集水溫?cái)?shù)據(jù)，精準(zhǔn)把控水溫，穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，正常顯示各類信息，保證系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中穩(wěn)定可靠運(yùn)行。5.2測(cè)試環(huán)境與工具測(cè)試環(huán)境模擬系統(tǒng)會(huì)去模仿實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，采用標(biāo)準(zhǔn)5V直流電源來供電，以此保證電源處于穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)試工具包含高精度溫度計(jì)、萬用表、示波器、帶有WiFi功能的手機(jī)以及用于模擬加熱過程的水箱，高精度溫度計(jì)可精確測(cè)量水箱內(nèi)的實(shí)際水溫，以此作為對(duì)比參考數(shù)據(jù)，萬用表能檢測(cè)電路中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓、電流等參數(shù)，判斷電路工作是否正常，示波器可觀察信號(hào)波形，像單片機(jī)與各模塊的通信信號(hào)，還可以分析信號(hào)的時(shí)序和完整性，手機(jī)安裝了相應(yīng)APP，可用來模擬用戶端遠(yuǎn)程操作以及接收數(shù)據(jù)。5.3功能測(cè)試溫度采集功能測(cè)試：將DS18B20溫度傳感器置于不同水溫的水箱中，記錄傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，并與高精度溫度計(jì)測(cè)量值對(duì)比。多次改變水溫，測(cè)試不同溫度范圍下傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性結(jié)果說明，在從0℃至100℃的測(cè)試范圍當(dāng)中，傳感器所采集到的數(shù)據(jù)和實(shí)際水溫之間的誤差處于±0.5℃以內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于溫度采集精度的要求，按鍵功能測(cè)試方面，逐個(gè)依次按下各個(gè)獨(dú)立按鍵，觀察系統(tǒng)是否可以正確對(duì)按鍵操作做出響應(yīng)，比如按下設(shè)置溫度按鍵時(shí)，是否可彈出設(shè)置界面并且實(shí)現(xiàn)溫度值的調(diào)整，按下查詢按鍵時(shí)，是否可正確顯示當(dāng)前水溫等相關(guān)信息。經(jīng)過測(cè)試，所有按鍵功能均可正常達(dá)成，按鍵響應(yīng)準(zhǔn)確，不存在誤觸發(fā)的情況，OLED顯示功能測(cè)試時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程里，觀察OLED顯示屏所顯示的內(nèi)容是否正確且清晰，檢查在不同頁面進(jìn)行切換時(shí)，數(shù)據(jù)更新是否及時(shí)，顯示布局是否合理，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，顯示屏可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前水溫、預(yù)設(shè)溫度以及系統(tǒng)狀態(tài)等信息，頁面切換流暢，沒有出現(xiàn)亂碼以及殘影的現(xiàn)象。加熱控制功能測(cè)試：設(shè)定不同的加熱溫度值，觀察加熱模塊的工作情況。當(dāng)水溫低于設(shè)定值時(shí)，繼電器應(yīng)閉合，加熱棒開始工作；水溫達(dá)到或超過設(shè)定值時(shí)，繼電器應(yīng)斷開，加熱棒停止加熱。多次測(cè)試不同設(shè)定溫度，加熱控制功能均正常，水溫能穩(wěn)定在設(shè)定值±1℃范圍內(nèi)。WiFi通信功能測(cè)試：通過手機(jī)APP連接系統(tǒng)WiFi熱點(diǎn)，發(fā)送控制指令（如調(diào)整預(yù)設(shè)溫度）和查詢指令（獲取當(dāng)前水溫），觀察系統(tǒng)是否能正確接收并執(zhí)行指令，APP是否能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)。測(cè)試過程中，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，指令響應(yīng)時(shí)間在1秒以內(nèi)，滿足遠(yuǎn)程控制的及時(shí)性要求。5.4性能測(cè)試溫度控制精度測(cè)試是這樣進(jìn)行的：讓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，持續(xù)監(jiān)測(cè)水溫的波動(dòng)狀況，在設(shè)定溫度為50℃的情況下，歷經(jīng)2小時(shí)的測(cè)試，水溫波動(dòng)范圍處于49℃至51℃之間，系統(tǒng)溫度控制精度比較高，可有效地維持水溫的穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試是對(duì)從按鍵操作、APP發(fā)送指令直至系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行記錄。按鍵操作響應(yīng)時(shí)間平均在0.1秒以內(nèi)，APP指令響應(yīng)時(shí)間平均為0.5秒，這契合了用戶操作的實(shí)時(shí)性體驗(yàn)需求，穩(wěn)定性測(cè)試是讓系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，在這期間模擬各種異常情況，像是短暫斷電、干擾信號(hào)等，在測(cè)試過程中，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)死機(jī)、數(shù)據(jù)丟失等異常情況，恢復(fù)正常后可迅速繼續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，這證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。5.5測(cè)試結(jié)果分析經(jīng)過上述功能測(cè)試以及性能測(cè)試后，基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都可正常達(dá)成，性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)所規(guī)定的要求，該系統(tǒng)在溫度采集、控制、顯示以及WiFi通信等方面表現(xiàn)得穩(wěn)定且可靠，可契合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景里對(duì)于水溫精確控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，不過在測(cè)試過程當(dāng)中也發(fā)現(xiàn)了一些可以優(yōu)化的地方，像是在復(fù)雜的WiFi環(huán)境之下，通信偶爾會(huì)出現(xiàn)短暫的延遲情況，后續(xù)可以考慮對(duì)WiFi模塊配置進(jìn)行優(yōu)化或者增加信號(hào)提高措施，以此提高系統(tǒng)性能。

第6章結(jié)論本研究主要關(guān)注基于STM32的智能水溫控制系統(tǒng)，經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)、軟件編程以及系統(tǒng)測(cè)試等環(huán)節(jié)，達(dá)成了預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了水溫的智能控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，在硬件電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心，合理連接DS18B20溫度傳感器、OLED顯示屏、ESP8266無線模塊、加熱模塊以及相關(guān)外圍電路，構(gòu)建起穩(wěn)定可靠的硬件平臺(tái)。各個(gè)模塊分工明確并且協(xié)同工作，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，軟件程序方面，精心編寫了多個(gè)功能模塊程序，包含溫度數(shù)據(jù)采集與處理、按鍵控制、顯示驅(qū)動(dòng)、加熱控制以及WiFi通信等，保證系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集水溫、精確控制加熱過程、實(shí)時(shí)顯示信息并且穩(wěn)定進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證，該智能水溫控制系統(tǒng)在功能和性能方面都表現(xiàn)出色，溫度采集精度符合設(shè)計(jì)要求，可精確測(cè)量水溫，加熱控制模塊可以有效將水溫穩(wěn)定在設(shè)定值附