基于PID的恒溫控制系統(tǒng)、智能家居控制系統(tǒng)課程設計

課程設計報告課程名稱 物聯(lián)網應用系統(tǒng)開發(fā)專 業(yè) 物聯(lián)網工程課程設計任務書PID設計內容與要求：STM32F103ZET6PIDPWM控制電機等功能。2.STM32ZigBeeLD3320語音識別芯片實現(xiàn)家居環(huán)境數據的采集、顯示、智能調節(jié)、語音識別及控制。設計要求：掌握硬件原理圖，熟悉STM32編程。相關寄存器的配置；常用傳感器原理與數據采集；提交符合要求、內容完整的設計報告。指導教師：年月日課程設計評語成績：

指導教師： 年 月 日課程設計報告課程設計報告PAGE1PAGE1項目一基于PID的恒溫控制系統(tǒng)概述選題意義近年來隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，人類的生活發(fā)生了很大的變化，尤其是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微型計算機應運而生，讓人類社會進入了一個嶄所以單片機因為價格低廉、可靠性高，性能穩(wěn)定以及獨特的定時、計數功能而被廣泛的應用在工業(yè)控制，工業(yè)生產，家用電器制造等方面，單片機的應用在不斷的走向深處，在實時檢測與自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機一般是用來做核心部件的，由具體的硬件結構與控制對象的特點，和軟件相結合來加以完善。溫度是表示物體冷熱程度的物理量，工農業(yè)生產過程中溫度是一個非常重要的參數。溫度測量在產品生產，工業(yè)設計，能源節(jié)約中發(fā)揮到了關鍵性的作用。隨著科學技術的進步和生產的需要，溫度傳感器不斷更新和豐富起來。溫度作為一個模擬量，如果采用合適的技術和元件，把模擬的溫度量轉化為數字量雖然說不難，但電路比較復雜，成本也太高。溫度測量中測量溫度是重點，本設計中單片機溫度測量同樣如此。溫度控制系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度按照某種規(guī)定的程序變化。由傳統(tǒng)的控制方式由于其控制精度不高、不能及時的跟蹤對象特性變化等原因造成STM32PID設計目標STM32主要完成的功能有以下幾點：對室內溫度進行實時檢測、按鍵設定溫度、將檢測的和設定溫度顯示出來、當溫度超限時報警并啟動電機進行溫度調控?？傮w設計總體方案STM32STM32STM32TFTLCD2.8STM32DHT11TFTLCD2.8DHT11TFTLCDSTM32設計框圖報警電路報警電路LCD顯示復位電路STM32F103ZET6器電機驅動按鍵電路LED指示DHT11圖2—1功能模塊框圖詳細設計與實現(xiàn)STM32最小系統(tǒng)模塊STM32F103ZET6STM32F103ZET6算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大、可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，F(xiàn)表示通用類型，103表示增強型，E表示512K節(jié)的閃存存儲器，Z144IO（input/output）112的管腳：電源（電源不止一個，為了提高芯片的穩(wěn)定驅動能力，一個或幾個模塊）啟動設置，復位，程序下載等的配置。模塊功能STM32F103ZET6DHT11采集溫濕度直接輸出數字信號，單片機進行處理與執(zhí)行。當溫度高于設定LED1警，提醒使用者溫度過高正在進行降溫，啟動風機等操作。DHT11溫濕度采集模塊DHT11簡介DHT11NTC8DHT11OTP204針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供DHT11工作原理DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數據格式,一次通訊時間4ms左右,數據分小數部分和整數部分,具體格式在下面說明,當前小數部分用于以后擴展,現(xiàn)讀出為零.操作流程如下:一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。數據格式:8bit+8bit+8bit溫度小數數據+8bit數據傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據”所得結果的末8位。課程設計報告課程設計報告PAGEPAGE10MCU,DHT1140bit用戶可選擇讀取部分數據.從模式下,DHT11,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數據后3—1圖3—1通訊過程圖圖3—2數字0信號表示方法圖圖3—3數字1信號表示方法圖DHT1118DHT11DHT11等待主機開始信號結束,然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后,延時等待20-40usDHT11到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高?？偩€為低電平,說明DHT11發(fā)送響應信號,DHT11發(fā)送響應信號后,再把總線拉80us,準備發(fā)送數據,每一bit50us01.格式見下面圖示.如果讀取響應信號為高電平,則DHT11bit，DHT1150us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。模塊功能該模塊的主要任務是完成溫濕度采集，并將其組裝成可讀數據發(fā)送給單片機的操作。按鍵模塊該模塊主要實現(xiàn)對設定溫度的設置以及對電路的復位。單片機應用系統(tǒng)中除的狀態(tài)來設置控制功能或者輸入數據。本次設置了兩個按鍵，來配合顯示界面，可以對溫度進行設定，實現(xiàn)電機不UPDOWN度減。報警模塊LED1LED1爍蜂鳴器響的報警操作顯示模塊LCD屏簡介（1）大?。篟GBRGB565格式，也就是說每一個像素點的顏色控制所需要的數據量為兩個字節(jié)——16在調色的時候,R(5位)G(6位)B(58位。8080SPII2C，小型設備常用一個是8080：WR：寫使能RD：讀使能D/C：RST：復位D[0~7]：數據位一個是6800:WR/RD：D/C：數據、命令選擇RST：復位D[0~7]：數據位ILI9341——屏的驅動芯片，屏幕內置，看不到TFTLC模塊功能TFTLCD度以及溫度變化曲線和電機轉速曲線等。電機驅動模塊直流電機與單片機相連接，從而控制風扇扇葉的轉動，以達到控制溫度的目的。PWM，PWM降低電機運行速度（占空比：在一個周期中高電平所占的時間）PID控制算法由于該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)采用PIDPWMPIDPID增量型控制算式如式(所示。Δu(k)=e(k)－e(k－1)KIe(k)+e(k)－2e(k－1)+e(k－2)］(1)系統(tǒng)調試系統(tǒng)設計方案電路的連接整個設計系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路來實現(xiàn)，如果硬件電路已經確STM32程。軟件部分可分為主程序和子程序，主程序是整個控制系統(tǒng)的核心，用于調節(jié)和處理各模塊之間的關系。子程序是各個模塊實現(xiàn)實質性的功能，其主要子程序包括：溫度采集、鍵盤掃描、LCD顯示、蜂鳴報警、、PID等。整個系統(tǒng)采8080USART。電路調試調試方法通過KEIL5編寫程序，采用MCUISP軟件將程序下載到開發(fā)板上進行調試問題及解決問題1：因為在程序中沒有使用中斷，按鍵在調節(jié)溫度時，加上程序中延時的影響，不太靈敏。解決：設置程序運行次數變量，當程序運行指定次數時取出數據，減少延時，按鍵也因此靈敏。問題2：整合程序時，電機未初始化，上電就全速運轉。PA6PA6導致電機上電就啟動。問題3：電機運行時，LCD白屏閃動。USBPID初始占空比，使電機初始運行速度減慢。問題4：溫度曲線變化太過平緩，無法明顯顯示只有少量波動。PIDy55：DHT11初始無法測出數據，一直失敗解決：更換杜邦線之后有好轉。測試結果上電后，屏幕上顯示實時溫度及初始設定溫度，通過按鍵加減調整設定溫度，當設定溫度低于實時溫度時，電機帶動風扇開始工作，設定溫度低于實時溫度越多，電機轉速越快，直到溫度降到設定溫度時，電機轉速減緩，使溫度始終維持到設定溫度，同時屏幕下部顯示電機轉速變化曲線。關鍵代碼圖4—1主函數代碼圖項目二智能家居控制系統(tǒng)概述選題意義21嵌入式系統(tǒng)和網絡通信技術逐步深入到各個領域，使得住宅和家用電器設備網絡化和智能化，智能家居已經開始出現(xiàn)在人們的生活中。智能家居控制系統(tǒng)(smarthomecontrolsystems,SCS)。它以住宅為平臺，家居電器及家電設備為主要控制對象，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施進行高效集成，構舒適，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的綜合智能家居網絡控制系統(tǒng)平臺。智能家居控制系統(tǒng)是智能家居核心，是智能家居控制功能實現(xiàn)的基礎。近幾年智能家居的發(fā)展迅速，市面上的產品也越來越多，但是也有很多不盡完美的地方，其主要原因是標準的不統(tǒng)一和權威產品的缺乏。隨著科技的發(fā)展與技術的更新，智能家居控制的開發(fā)與研究已成為國家經濟發(fā)展的必然趨勢，智能家居控制系統(tǒng)為人們提供更為人性化的設計，智能的為人們提供溫度、濕度等空氣成分的檢測，智能的為人們打造適宜的生活環(huán)境，為人們快節(jié)奏的生活減小壓力的同時提供了巨大的方便。設計目標STM32F103RCT6LCDZigBeeRGBZigBee進行通信，一個主控板作為協(xié)調器，另一個作為終端設備，相互之間收發(fā)數據，并且協(xié)調器能通過語音模塊同時控制兩個設備上燈的狀態(tài)。總體設計總體方案TFTLCDLD3320、ZigBeeRGBSTM32F103RCT6LCDLEDRGBZigBee控制終端設備。設計框圖圖2-1總體模塊設計圖詳細設計與實現(xiàn)STM32最小系統(tǒng)模塊模塊簡介：4HSE:做系統(tǒng)時鐘源HSI:做系統(tǒng)時鐘源LSE:RTC（realtimeclock）LSI：做看門狗時鐘源內核時鐘源：HSE(HSE)由以下兩種時鐘源產生：HSE/HSE/引腳。負載電容值必須根據所選擇的振蕩器來調整。HSI：HSI8MHzRC2PLLRCHSE使在校準之后它的時鐘頻率精度仍較差。PLLPLLHSIRCHSE時鐘。PLLHIS2HSEPLLPLLPLLPLLUSB4872MHZ48MHzUSBCLK模塊功能：該模塊的主要任務是完成實現(xiàn)與各個模塊之間的串口通信，是命令的集中處理地。TFTLCD顯示屏TFTLCDSTM32F103對應。常用的液晶屏接口有很多種，8位、9位、16位、182.8240*240RGBRGB565每一個像素點的顏色控制所需要的數據量為兩個字節(jié)—16（紅色）5綠色）6藍色）56880806800模式兩種。808055條寫使能讀使能命令或數據選擇位LCD屏是一整個模塊提供，函數也寫好了，只需在主函數里調用不同的函數顯示自己所需的內容，比如單個字符、字符串、漢字（需要用漢字字模生成器）以及圖片。LD3320語音識別模塊模塊簡介LD3320芯片是一款“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產品中即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。模塊功能：通過自己設置的關鍵詞語列表，語音控制實現(xiàn)流水燈，彩燈，閃爍等，并將語音的內容通過串口回顯在電腦上。ZigBee通信模塊模塊簡介ZigBee理和效率、醫(yī)療保健、家庭自動化、電信服務、樓宇自動化以及工業(yè)自動化。圍ZigBee芯片技術推出的外圍電路，稱之為“ZigBee模塊”ZigBee模塊IEEE802.15.42.4GHZ的頻段上。模塊功能STM32相連獲取相應的語音命令信息，發(fā)給終端，終端再將命令傳給STM32LED燈流水，閃爍，彩燈亮等操作。RGB彩燈即紅綠藍三種彩燈的合并初始化配置函數已給，如圖3—1所示，調用也很簡單，可以使其進入“全彩打開”模式，也可以使其亮單色燈的。在語音識別時，可以語音控制它的狀態(tài)。圖3—1RGB初始化課程設計報告課程設計報告PAGE13PAGE13SPI通信總線串行通信常用方式：USART(UART)SPI（10m左右）I2C（差分信號、CAN（1280m。（何確認主從機？由哪個節(jié)點控制時鐘線，哪個就是主機。（不交叉，直接連MISO：主機輸入，從機輸出MOSI：主機輸出，從機輸入SCK：時鐘線NSS：從機選擇線（一般不用）3線SPI&4線SPI區(qū)別：是否有NSS（SPI的協(xié)議時鐘極性：在總線空閑時，時鐘線所處于的狀態(tài)時鐘相位：數據傳輸時，從第一個或第二個跳變沿進行數據的發(fā)送或接收SPIIOSPI通信（使用軟件可以拆開寫）u8SPI_SendReceive(u8dat){for(u8i=0;i<8;i++){SCK=0;if(dat&0x80)MOSI=1;elseMOSI=0;SCK=1;dat<<=1if(MISO)dat|=1;SCK=0;}returndat;}系統(tǒng)調試系統(tǒng)設計方案電路的連接整個設計系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路來實現(xiàn)，如果硬件電路已經確STM32程。軟件部分可分為主程序和子程序，主程序是整個控制系統(tǒng)的核心，用于調節(jié)和處理各模塊之間的關系。子程序是各個模塊實現(xiàn)實質性的功能，其主要子程序包括：語音模塊控制、zigbee通信模塊、LCD顯示、RGB彩燈等。電路調試調試方法KEIL5MCUISP通過串口實時打印狀態(tài)。問題及解決1：LCD屏的顯示不太正常，圖片會歪解決：LCD顯示需要沿邊放置調整好位置，大小，比例問題2：語音模塊，接收數據有問題，串口調試助手中總是顯示busy，沒法獲取正確的命令解決：sys_tick中延時與LD3320中延時有沖突，互相影響，需要更改sys_tick中延時及中斷處理。問題3：zigbee組網時發(fā)送數據有誤STM32zigbee4：IAR下載程序出錯解決：沒有好的解決方法，只能重啟IAR下載課程設計報告課程設計報告PAGEPAGE15測試結果Zigbee組網成功后可以發(fā)送數據，但是亂碼，無法識別，所以無法控制終端LED燈

圖4—1實驗結果圖圖4—2語音識別代碼圖課程設計報告課程設計報告PAGE16PAGE16設計總結本次課程設計，采用STM32F103ZET6 開發(fā)板為硬件開發(fā)平臺，設計實現(xiàn)LCD顯示溫濕度檢測參數調節(jié)控制電機等功能并且采用主控芯片無線通信方式及LD3320語音識別芯片實現(xiàn)家居環(huán)境數據的采集、顯示、智能調節(jié)、語音識別及控制。課程設計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次STM32GPIOUSARTDHT11溫濕度傳感器等等有了深刻的理解，同時也對應用開發(fā)的步驟有了更深的了解。當然在項目進行過程中，不可避免地會遇到各種問題，比如編程不細心，手冊不會看，對模塊的不了解，不會實現(xiàn)相應功能等等，然而就是通過不斷地發(fā)ST