基于STM32F407單片機(jī)的控溫投喂系統(tǒng)寵物窩

王艷

摘 要：本設(shè)計是以STM32F407單片機(jī)為核心控制單元，觸摸屏模塊的顯示，對溫度的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制和顯示的溫度控制并且具有定時投喂功能的系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用單片機(jī)的定時功能對舵機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)投喂功能;通過熱敏電阻采集水泥電阻的溫度，將反饋的溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，使用增量式PID算法，調(diào)節(jié)輸出電壓的PWM，以實現(xiàn)控制溫度的功能。該溫度控制器可以通過調(diào)節(jié)控制電壓輸出來調(diào)節(jié)被加熱物體的加熱速率，從而達(dá)到目標(biāo)溫度，同時具有維持溫度穩(wěn)定和實時顯示當(dāng)前溫度的功能。

關(guān)鍵詞：STM32F407;熱敏電阻;控制溫度;定時投喂

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，人們的精神和物質(zhì)文化需求日益增長，當(dāng)今社會喂養(yǎng)寵物的家庭越來越多。為了解決很多人沒有時間照看寵物導(dǎo)致寵物無法得到良好照料的問題，我們團(tuán)隊設(shè)計了能夠?qū)櫸镞M(jìn)行日常生活照料的智能寵物窩。本次設(shè)計通過單片機(jī)對直流電機(jī)、舵機(jī)、溫度傳感器等模塊的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對寵物日常生活的照看和監(jiān)管。

2.1 整體介紹

用溫度傳感器實時檢測寵物窩內(nèi)環(huán)境的溫度，并設(shè)置一個窩內(nèi)溫度閾值。只要窩內(nèi)環(huán)境溫度大于或等于設(shè)置的溫度閾值，單片機(jī)驅(qū)動水泥電阻調(diào)節(jié)窩內(nèi)的溫度，給寵物營造一個良好的生活環(huán)境。

喂食器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示，主要是單片機(jī)控制直流電機(jī)工作帶動齒輪旋轉(zhuǎn)從而促使閥門翻轉(zhuǎn)，放出食物。

本方案分為六個模塊：電源模塊、顯示模塊、信號處理模塊（包含ADC采集功能）、單片機(jī)控制模塊、功率輸出模塊，舵機(jī)輸出投喂模塊。下圖是整個方案的介紹：

系統(tǒng)通過驅(qū)動電路對水泥電阻進(jìn)行加熱，在加熱過程中，溫度傳感器DS18B20感知水泥電阻的實時溫度，并輸出自身的電壓值，根據(jù)電源模塊提供的電壓，得到熱敏電阻的電流值，進(jìn)而由電阻值使用二分法查表計算出水泥電阻的溫度。將采集到的溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，如果目標(biāo)溫度高于采集溫度，則對驅(qū)動電路繼續(xù)輸出PWM;如果目標(biāo)溫度低于采集溫度，則停止加熱。同時本系統(tǒng)使用了PID算法對PWM輸出進(jìn)行精確的控制，從而可以調(diào)節(jié)溫度的加熱速率，維持目標(biāo)溫度穩(wěn)定。

3.1嵌入式微控制器（ZGT632F407）

在本方案中，STM32F407單片機(jī)是實現(xiàn)溫度控制和自動投喂的核心部分。它能夠方便對溫度傳感器采集回來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，同時使用它的定時器實現(xiàn)定時投喂。它還可以進(jìn)行低功耗、低電壓的操作，并且具有高效性、實時性，同時擁有一個完全集成和易于編程的開發(fā)環(huán)境。經(jīng)過比對，發(fā)現(xiàn)F407的處理速度明顯比F103快，所以最終選取了STM32F407單片機(jī)。

3.2顯示模塊

本方案使用了48寸電阻顯示屏顯示當(dāng)前溫度。

3.3溫度采集模塊

在本次設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)中，使用了熱敏電阻，它是常用的數(shù)字式溫度傳感器，它的輸出是數(shù)字信號，方便單片機(jī)的讀取。這種溫度傳感器不僅具有體積小，硬件開銷低的優(yōu)勢，還具有抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點。

其中，P6通過ADC采集的是溫度傳感器DS18B20兩端的電壓值，經(jīng)放大器跟隨輸出，用VCC減去ADC1采集的電壓，使用歐姆定律計算得到P8兩端的電流值，進(jìn)而求得P1的阻值。在這里我們用到了一種特殊的ADC采集的接頭，以盡可能的減小誤差，提高測量精度。

3.4舵機(jī)控制模塊

通過ZGT6STM32F407單片機(jī)控制LCD顯示屏顯示正常時鐘，并設(shè)置寵物喂食的時間及其喂食量。當(dāng)正常時間和喂食時間相等時，單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)帶動機(jī)械齒輪打開閥門放出食物，直到放出食物量和設(shè)定的投喂時間相等，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，關(guān)閉投食閥門，從而實現(xiàn)定時定時喂食。

3.5電機(jī)控制電路

當(dāng)達(dá)到30攝氏度時，啟動電機(jī)井陘降溫。

3.6電源部分

本方案在電源部分，使用了單片機(jī)上的3.3v供電，另外5v用了學(xué)生電源進(jìn)行供電。學(xué)生電源是一種在實驗室，與電網(wǎng)連接，把高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓，改變頻率的一種設(shè)備，我國家庭用電的電壓為220V，頻率為50-60赫茲，對于實驗不適用。學(xué)生電源把它降到2V，4V等，最高能達(dá)到20V，并且能把交流電變成直流電。實驗室電源分為電池，學(xué)生電源兩種。電池電量小，不適于大功率，長時間工作。學(xué)生電源有經(jīng)濟(jì)，環(huán)保，功率可大可小的特點.一般用與電解實驗。

3.7加熱電路

加熱電路采用5V供電，利用二極管的單向?qū)ㄌ攸c，IRF630場效應(yīng)管的開關(guān)作用對水泥電阻進(jìn)行可調(diào)PWM輸出加熱控制。

4.1程序流程圖

4.2 溫度加熱PID算法

在溫度控制方面主要應(yīng)用了增量式PID算法，PID調(diào)節(jié)規(guī)律對連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的校正非常有效。它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。在過程控制中，按偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行控制：

其中P的作用是比例控制，單純使用比例控制 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?時，在不存在穩(wěn)態(tài)誤差的前提下，單P是可以達(dá)到我們所需要的目標(biāo)的。在此溫度控制系統(tǒng)中，如果PWM輸出為0，溫度就會降低，即產(chǎn)生了我們上述所說的穩(wěn)態(tài)誤差，這時就需要積分I來同步調(diào)節(jié)：

由于加了積分項，輸入變大，穩(wěn)態(tài)誤差就會減小。微分項的值是一個負(fù)數(shù)，它的主要作用是減少控制過程中發(fā)生的震蕩。

4.3二分查表法

在使用ADC采集函數(shù)對溫度傳感器的電阻值進(jìn)行溫度換算時采用了二分法查找，查找溫度精準(zhǔn)快速，提高了程序的運行效率。二分法查找數(shù)據(jù)快速，不需要一一比對數(shù)據(jù)，節(jié)省時間，使溫度控制系統(tǒng)顯示實際溫度誤差減小，可以做到實時顯示。

5.1軟件部分總結(jié)

本系統(tǒng)使用KeiluVision5開發(fā)環(huán)境對單片機(jī)進(jìn)行程序的編寫。

初始化部分，在程序初始化的部分，需要把用到的功能及引腳初始化，初始化定時器部分，需要算好定時的時間，本次所用的時間是0.5s，溢出時間的計算方法為Tout=（（arr+1）*（psc+1））/Ft us.電機(jī)部分的初始化全部放在一個函數(shù)里，這樣便于更改程序。在初始化之前，需要將這里用到的變量聲明好。

主循環(huán)部分，在主循環(huán)里，數(shù)據(jù)的顯示部分，可以直接調(diào)用庫函數(shù)。在主循環(huán)里還進(jìn)行了標(biāo)志位的判斷，在散熱標(biāo)志位為1時，調(diào)用啟動電機(jī)函數(shù)，在這里使用了數(shù)組，將每一個引腳的輸出做了排序，使電機(jī)正常工作。

其次還有投喂標(biāo)志的判斷，這里直接給舵機(jī)的信號線一個高電平使舵機(jī)打開，延時后給舵機(jī)一個低電平信號將舵機(jī)關(guān)閉。

測溫部分，在測溫部分，首先使用了ad轉(zhuǎn)換函數(shù)，采集到對應(yīng)引腳的電壓值，對十次采集到的電壓值求平均得到當(dāng)前電壓值，將電壓值除以電流得到采樣電阻的阻值，通過查表函數(shù)，從表中得到此時電阻值對應(yīng)的溫度值，并返回此時的溫度值。查表方式在4.3給出

加熱部分，本次的重點部分就是加熱部分，得到當(dāng)前溫度時，先對溫度進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度低于15度時就進(jìn)行加熱，首先對需要用到的定時器進(jìn)行初始化，以便于輸出一個pwm，為了得到滿意的pwm在溫度控制中引入了pid控制，詳細(xì)的控制方法在4.3給出，得到了一個動態(tài)的pid參數(shù)后，將設(shè)定溫度值與當(dāng)前溫度值做差，得到的值進(jìn)行計算后輸出pwm用于對水泥電阻進(jìn)行加熱，但是在冬季需要更快的加熱速度和更高的溫度，所以提高了溫度設(shè)定值和p值，這樣溫度從0度上升到20度只需要十幾分鐘。

散熱部分使用電機(jī)進(jìn)行控制，本次使用的電極驅(qū)動芯片為uln2003，所以不適用pwm輸出進(jìn)行控制，所以采用了對引腳依次輸出電平的方式進(jìn)行控制，這種方法比較簡單，缺點是無法對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

定時喂食部分主要使用了定時器中斷，中斷溢出時間為0.5s，這樣比較適于計時，采用的方法也很簡單，當(dāng)秒加到60時，就向分進(jìn)1，當(dāng)分加到60時，向小時進(jìn)1，當(dāng)小時加到24時，則全部清零，開始下一輪定時。

在寫程序時，遇到了很多問題，同時也有很多收獲。在調(diào)用不同文件夾中的函數(shù)時，需要將用到的c文件及h文件包含進(jìn)來，在外部使用自定義的函數(shù)時，需要將函數(shù)在使用之前進(jìn)行聲明，也可以將函數(shù)在對應(yīng)的h文件中進(jìn)行聲明，這樣比較方便在其他c文件中調(diào)用。

5.2硬件部分總結(jié)

從最開始，在確定了設(shè)計方案以后，我們開始畫板子，板子我們做了兩版，第一版由于元器件IRF630S MOS場效應(yīng)管的尺寸問題，導(dǎo)致第一版無法使用。修改以后第二版也有一點問題，電機(jī)控制部分使用的芯片尺寸略微有差別，但是可以使用。另外在PCB布線時由于線寬的限制，電源只能使用5V供電才不會發(fā)生開路現(xiàn)象。

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面向服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)研究與應(yīng)用項目編號 ： 2019JZZY010128

（濰坊理工學(xué)院 ?山東 ?濰坊 ?262500）