一、概述

本項(xiàng)目使用 STM32F103C8T6 微控制器作為核心處理器，結(jié)合多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水器的自動控制。通過對光照、溫度、水位等各種參數(shù)的監(jiān)測和分析，對水泵、電磁閥等設(shè)備進(jìn)行自動控制，從而實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的高效、安全、可靠運(yùn)行。

二、硬件設(shè)計(jì)

（1）模塊組成

太陽能熱水器模塊主要由以下幾個(gè)部分組成：

• 光敏傳感器模塊：用于檢測陽光強(qiáng)度，反映太陽輻射強(qiáng)度和方向。
• 溫度傳感器模塊：用于檢測太陽能集熱器表面和水箱內(nèi)的溫度，并根據(jù)溫度變化調(diào)整水泵、電磁閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
• 液位傳感器模塊：用于檢測水箱內(nèi)的液位，并根據(jù)液位高低控制水泵和電磁閥的啟停。
• 水泵模塊：通過控制水泵的啟停，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)流動和充水功能。
• 電磁閥模塊：通過控制電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)熱水器的放水和接水功能。

（2）硬件連接

其中，光敏傳感器模塊、溫度傳感器模塊和液位傳感器模塊通過 ADC 接口與 STM32F103C8T6 微控制器進(jìn)行連接；水泵模塊和電磁閥模塊則通過 GPIO 口控制。

連接方式如下：

• 光敏傳感器模塊：將光敏傳感器輸出口與 ADC1 通道10 連接，并用一個(gè)電位器調(diào)整 ADC 的參考電壓，使其范圍在 0-3.3V 之間。
• 溫度傳感器模塊：將 DS18B20 溫度傳感器數(shù)據(jù)線與 GPIOA 的 PA8 引腳連接，并將 VCC 和 GND 分別接到 3.3V 和 GND。
• 液位傳感器模塊：將液位傳感器輸出口與 ADC1 通道11 連接，并用一個(gè)電位器調(diào)整 ADC 的參考電壓。
• 水泵模塊：將水泵正極接到 GPIOB 的 PB1 引腳，將負(fù)極接到電源的負(fù)極。
• 電磁閥模塊：將電磁閥正極接到 GPIOB 的 PB0 引腳，將負(fù)極接到電源的負(fù)極。

三、軟件設(shè)計(jì)

3.1 任務(wù)分配

整個(gè)項(xiàng)目采用 FreeRTOS 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)的監(jiān)測和控制，開發(fā)以下幾個(gè)任務(wù)：

• 光敏傳感器任務(wù)：定時(shí)讀取光敏傳感器輸出口的電壓值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前的光照強(qiáng)度。
• 溫度傳感器任務(wù)：定時(shí)向 DS18B20 溫度傳感器發(fā)送溫度采樣請求，接收并解析響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前的太陽能集熱器表面溫度和水箱內(nèi)溫度。
• 液位傳感器任務(wù)：定時(shí)讀取液位傳感器輸出口的電壓值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前的水箱水位高度。
• 控制任務(wù)：根據(jù)光照強(qiáng)度、溫度和水位高度等參數(shù)，決定是否需要啟動水泵或電磁閥等設(shè)備。

偽代碼如下：

void Light_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         voltage = ADC_Get_Voltage(); // 獲取光敏傳感器輸出電壓
         light_intensity = voltage * 100 / 3.3f; // 根據(jù)電壓計(jì)算光照強(qiáng)度
         vTaskDelay(1000); // 延時(shí) 1s
     }
 }
 ?
 void Temperature_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         DS18B20_Start_Conversion(); // 向溫度傳感器發(fā)送采樣請求
         temperature1 = DS18B20_Read_Temperature(); // 讀取太陽能集熱器表面溫度
         temperature2 = DS18B20_Read_Temperature(); // 讀取水箱內(nèi)溫度
         vTaskDelay(1000); // 延時(shí) 1s
     }
 }
 ?
 void Water_Level_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         voltage = ADC_Get_Voltage(); // 獲取液位傳感器輸出電壓
         water_level = voltage * 100 / 3.3f; // 根據(jù)電壓計(jì)算水位高度
         vTaskDelay(1000); // 延時(shí) 1s
     }
 }
 ?
 void Control_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         if (light_intensity > THRESHOLD && temperature1 > THRESHOLD && water_level > THRESHOLD) // 如果各種參數(shù)均符合要求，則啟動水泵和電磁閥
         {
             GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 啟動水泵
             GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 關(guān)閉電磁閥
         }
         else // 否則關(guān)閉水泵，打開電磁閥，放水
         {
             GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 關(guān)閉水泵
             GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 啟動電磁閥
         }
         vTaskDelay(1000); // 延時(shí) 1s
     }
 }

3.2 光敏傳感器任務(wù)

/* 光敏傳感器任務(wù) */
 void Light_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   uint16_t adc_value;
 ?
   while (1)
   {
     /* 讀取 ADC 值并計(jì)算光照強(qiáng)度 */
     if (HAL_ADC_Start(&hadc1) == HAL_OK)
     {
       if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK)
       {
         adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
         light_intensity = adc_value * 3300 / 4096.0;
       }
     }
 ?
     vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延時(shí) 1s
   }
 }

在函數(shù)中，聲明一個(gè)變量 adc_value 用于存儲讀取到的 ADC 值。使用 if 條件語句檢查 ADC 是否成功啟動，并且使用 HAL_ADC_PollForConversion() 函數(shù)判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)換是否完成，如果轉(zhuǎn)換完成，就獲取 ADC 值，并且通過簡單的計(jì)算公式將 ADC 值轉(zhuǎn)換為光照強(qiáng)度值，最后將結(jié)果存儲在 light_intensity 變量中。

3.3 溫度傳感器任務(wù)

/* 溫度傳感器任務(wù) */
 void Temperature_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   float temperature;
 ?
   /* 初始化 DS18B20 */
   DS18B20_Init(&htim2, GPIOA, GPIO_PIN_10);
 ?
   while (1)
   {
     /* 讀取溫度值 */
     temperature = DS18B20_Read_Temperature();
 ?
     /* 將讀取到的溫度值存儲在全局變量中 */
     current_temperature = temperature;
 ?
     vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延時(shí) 1s
   }
 }

在函數(shù)中，聲明一個(gè)變量 temperature 用于存儲讀取到的溫度值。然后，調(diào)用函數(shù) DS18B20_Init() 初始化 DS18B20 溫度傳感器。使用 DS18B20_Read_Temperature() 函數(shù)讀取溫度值，并且將結(jié)果存儲在 temperature 變量中。最后，將讀取到的溫度值存儲在全局變量 current_temperature 中。

3.4 液位傳感器任務(wù)

/* 液位傳感器任務(wù) */
 void Liquid_Level_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   uint16_t adc_value;
   float voltage;
 ?
   /* 初始化液位傳感器 GPIO 口 */
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
 ?
   while (1)
   {
     /* 讀取 ADC 值并計(jì)算電壓值 */
     if (HAL_ADC_Start(&hadc1) == HAL_OK)
     {
       if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK)
       {
         adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
         voltage = adc_value * 3.3 / 4096.0;
       }
     }
 ?
     /* 根據(jù)電壓值計(jì)算液位高度 */
     if (voltage < 0.5)
     {
       liquid_level = 0.0;
     }
     else if (voltage > 2.5)
     {
       liquid_level = 100.0;
     }
     else
     {
       liquid_level = (voltage - 0.5) * 100.0 / 2.0;
     }
 ?
     vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延時(shí) 1s
   }
 }

在函數(shù)中，聲明變量 adc_value 和 voltage，分別用于存儲讀取到的 ADC 值和計(jì)算得到的電壓值。使用 HAL_GPIO_WritePin() 函數(shù)初始化液位傳感器 GPIO 口，將啟用傳感器的引腳設(shè)置為高電平。使用 if 條件語句檢查 ADC 是否成功啟動，并且使用 HAL_ADC_PollForConversion() 函數(shù)判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)換是否完成，如果轉(zhuǎn)換完成，就獲取 ADC 值，并且通過簡單的計(jì)算公式將 ADC 值轉(zhuǎn)換為電壓值，并將結(jié)果存儲在 voltage 變量中。

由于需要使用電壓值計(jì)算液位高度，使用 if 條件語句檢查電壓是否小于低液位警戒電壓 0.5V 或者大于高液位警戒電壓 2.5V，如果是則分別將液位高度設(shè)置為 0% 或 100%，否則使用簡單的線性關(guān)系計(jì)算液位高度。

3.5 控制任務(wù)

/* 控制任務(wù) */
 void Control_Task(void *pvParameters)
 {
   float temperature_setpoint = 25.0; // 設(shè)定溫度值
   float liquid_level_setpoint = 50.0;  // 設(shè)定液位高度值
   float temperature_error, liquid_level_error;
   float temperature_integral, liquid_level_integral;
   float temperature_derivative, liquid_level_derivative;
   float temperature_output, liquid_level_output;
 ?
   float kp_temperature = 0.5, ki_temperature = 0.1, kd_temperature = 0.05; // 溫度 PID 參數(shù)
   float kp_liquid_level = 0.2, ki_liquid_level = 0.05, kd_liquid_level = 0.02; // 液位高度 PID 參數(shù)
 ?
   while (1)
   {
     /* 計(jì)算溫度 PID 控制器輸出 */
     temperature_error = temperature_setpoint - current_temperature;
     temperature_integral += temperature_error;
     temperature_derivative = temperature_error - last_temperature_error;
     temperature_output = kp_temperature * temperature_error + ki_temperature * temperature_integral + kd_temperature * temperature_derivative;
     last_temperature_error = temperature_error;
 ?
     /* 計(jì)算液位高度 PID 控制器輸出 */
     liquid_level_error = liquid_level_setpoint - liquid_level;
     liquid_level_integral += liquid_level_error;
     liquid_level_derivative = liquid_level_error - last_liquid_level_error;
     liquid_level_output = kp_liquid_level * liquid_level_error + ki_liquid_level * liquid_level_integral + kd_liquid_level * liquid_level_derivative;
     last_liquid_level_error = liquid_level_error;
 ?
     /* 通過 PWM 控制加熱器和水泵電機(jī) */
     if (temperature_output > 0.0)
     {
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (uint16_t)(temperature_output * 1000));
     }
     else
     {
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, 0);
     }
 ?
     if (liquid_level_output > 0.0)
     {
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint16_t)(liquid_level_output * 1000));
     }
     else
     {
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);
     }
 ?
     vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 延時(shí) 10ms
   }
 }

在函數(shù)中：

（1）定義參數(shù)和變量，包括設(shè)定溫度值、設(shè)定液位高度值、溫度 PID 控制器的參數(shù)、液位高度 PID 控制器的參數(shù)等。使用 while 循環(huán)處理控制邏輯，循環(huán)開始時(shí)，計(jì)算溫度 PID 控制器輸出。

（2）計(jì)算當(dāng)前誤差，并將誤差累積到積分項(xiàng)中。計(jì)算誤差變化率，并使用 PID 參數(shù)計(jì)算出輸出值，將結(jié)果存儲在 temperature_output 中，并將當(dāng)前誤差存儲在 last_temperature_error 中以便于下一次計(jì)算，計(jì)算液位高度 PID 控制器輸出。

（3）根據(jù)控制器輸出值通過 PWM 控制加熱器和水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如果輸出值大于 0，則啟用電機(jī)或加熱器并設(shè)置對應(yīng)的 PWM 占空比，否則關(guān)閉電機(jī)或加熱器并將 PWM 占空比設(shè)為 0。

審核編輯 黃宇