摘要：本文设计了一款基于STM32单片机的控温水壶，该设计采用STM32单片机作为主控制器，用于获取温度信息进行处理，采用增量式PID控制水温，通过液晶屏显示预设温度和当前温度。用户可以利用按键或者蓝牙来完成温度范围的设置。当水已烧开或干烧时，蜂鸣器发出响声，提示用户。经实验测试，温度的控制误差在0.4%左右，恒温效果可以长时间保持，满足用户多样的饮水需求。 关键词：STM32；控温水壶；增量式PID
Design of a thermostat based on STM32
WEI Chuan-ke
(Wuzhou University Guangxi 543002,China )
Abstract:This paper designs a temperature control kettle based on STM32 microcomputer, which uses STM32 microcomputer as the main controller to obtain temperature information
for processing, adopts incremental PID to control water temperature, and displays the preset temperature and current temperature through the LCD screen. The user can set the temperature range using the button or Bluetooth. When the water has boiled or dried up, the buzzer sounds to alert the user. After experimental tests, the temperature control error is about 0.4%, and the constant temperature effect can be maintained for a long time to meet the perse drinking water needs of users.
Keywords: STM32;temperature control kettle; incremental PID
0引言
近年来，随着生活水平的提高和科学技术的不断发展，电热水壶进入了每家每户，成为了我们生活中随处可见的家用电器。它是人类实际需求的社会产物，也是依靠单片机控制的智能产品[1]。尤其是今年疫情发生以来，由于小区封闭式管理等疫情防控措施的影响，居民对小家电的需求更为强烈[2]。传统的电热水壶，采用双金属片作为感温器件。水加热接近或者达到沸点时，双金属片受热变形，断开开关，达到控温的效果[3]。这种控温的方式虽然能够达到控温的效果，但是对于温度的控制不稳定，无法满足人们的特定需求。针对 以上问题，设计了一种以STM32为核心的电热水壶。相比传统的水壶，该电热水壶通过增量式PID算法来进行控制水温，使得温度的变化幅度在0.1℃以内。PID控制是最早发展起来的控制策略之一[4], 其结构简单、鲁棒性好、可靠性高, 被广泛应用于工业控制过程, 尤其是能够建立精确数学模型的确定性控制系统[5]。水壶液晶屏显示的水温给人们提供了一种直观的方式来判断此时的热水是否可以饮用。该水壶还可以通过蓝牙来远程控制水壶烧水，以及报警警示功能。相比传统的单一加热的电热水壶来说,设计电路更加简单、电路体积小、功能更加完善[6]。
1设计原理
1.1温度控制的基本原理
本次设计采用的是STM32单片机作为控制核心，DS18b20作为温度检测器件，热得快作为加热装置。DS18b20的探头需靠近热得快，避免因水温不均衡而导致测量误差过大。温度传感器测量到温度后将模拟信号发送给单片机，单片机处理后得出温度值并通过LCD屏显示出来。在对水温进行恒温控制中引入增量式PID算法来保证恒温的稳定性。增量式PID控制是一种递推式的算法，上一时刻与当前时刻的控制量做差，其差值作为新的控制量。在
本次设计中单片机接收到DS18b20传回来的水温后，计算出与预设温度之间的误差。再计算前面两次的误差，将三个差值与比例系数、积分时间和微分时间一起套入PID算法中，得到P、I和D的值，与上次的输出值累加得到本次的输出值。最后将上次的输出值替换为本次的输出值，当前的水温误差也将替换上次的水温误差，继续进行下一次的PID控制。输出值将作为PWM的占空比来控制热得快，进而控制水温。
2硬件控制电路设计
2.1系统方案设计
控温水壶能够实现对水壶内水温信息的检测，如果水温加热到100度、水壶处于干烧状态或者水壶应故障加热到100度时，水壶自动断电并发出警报声。
用户可以通过手机app与蓝牙进行通信，远程控制水壶的开关以及实时了解水壶的工作状态、加热情况等等。该系统以STM32F104为控制核心，由蓝牙通信电路、温度检测电路、加热电路、OLED显示电路、蜂鸣器报警电路等组成。系统总体结构如图1所示。
图1系统总体结构图
2.2 蓝牙通信模块
控温水壶控制系统中，用户可以通过手机app与控温水壶控制系统通过蓝牙建立通信，在app界面可以控制水壶开启与关闭、查看水温以及预设加热热水的温度等。本模块我们使用的是蓝牙的通信范围在10m左右，满足普通用户的需要。
2.3 温度检测模块
控温水壶控制系统中，温度传感器DS18b20实时运行检测水壶内的水温数据，只用一个端口与外界进行数据交换[7]，提高了系统的抗干扰性。该系统中使用的是探头防水型的温度传感器，可用3-5v供电，具有较高的密封性、灵敏性，温度延迟程度低。
2.4 加热模块
控温水壶控制系统中，通过单片机IO口来控制继电器通断，使得热得快接入电路，开始给水壶加热。继电器是利用电磁铁来进行工作电路的通断，当信号触发端有高电平触发时，继电器的公共端与常开端接通，让热得快工作。
2.5 液晶显示模块
控温水壶控制系统中，液晶显示模块用的是2.8寸的TFTLCD电阻式显示屏。显示屏上显示水温、水壶的工作状态，LCD显示屏显示1，表示烧水状态，当水温达到预设温度时，LCD显示屏显示0,表示停止加热状态。
3软件设计水位水温传感器
控温水壶控制系统程序设计主要实现控制加热装置，检测和显示水温，蓝牙和手机之间通信，以及当水温超过设定值时进行报警。其工作工程如下：当设备上电后，LCD显示屏一级界面显示定时加热、温度区间加热、恒温、烧开四种工作模式，用户可通过按键选择其中一种模式工作。
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