基于STM32设计的太阳能热水器

一、概述

本项目使用 STM32F103C8T6 微控制器作为核心处理器，结合多个传感器和执行器，实现了太阳能热水器的自动控制。通过对光照、温度、水位等各种参数的监测和分析，对水泵、电磁阀等设备进行自动控制，从而实现太阳能热水器的高效、安全、可靠运行。

二、硬件设计

（1）模块组成

太阳能热水器模块主要由以下几个部分组成：

• 光敏传感器模块：用于检测阳光强度，反映太阳辐射强度和方向。
• 温度传感器模块：用于检测太阳能集热器表面和水箱内的温度，并根据温度变化调整水泵、电磁阀等设备的运行状态。
• 液位传感器模块：用于检测水箱内的液位，并根据液位高低控制水泵和电磁阀的启停。
• 水泵模块：通过控制水泵的启停，实现水循环流动和充水功能。
• 电磁阀模块：通过控制电磁阀的开关，实现热水器的放水和接水功能。

（2）硬件连接

其中，光敏传感器模块、温度传感器模块和液位传感器模块通过 ADC 接口与 STM32F103C8T6 微控制器进行连接；水泵模块和电磁阀模块则通过 GPIO 口控制。

连接方式如下：

• 光敏传感器模块：将光敏传感器输出口与 ADC1 通道10 连接，并用一个电位器调整 ADC 的参考电压，使其范围在 0-3.3V 之间。
• 温度传感器模块：将 DS18B20 温度传感器数据线与 GPIOA 的 PA8 引脚连接，并将 VCC 和 GND 分别接到 3.3V 和 GND。
• 液位传感器模块：将液位传感器输出口与 ADC1 通道11 连接，并用一个电位器调整 ADC 的参考电压。
• 水泵模块：将水泵正极接到 GPIOB 的 PB1 引脚，将负极接到电源的负极。
• 电磁阀模块：将电磁阀正极接到 GPIOB 的 PB0 引脚，将负极接到电源的负极。

三、软件设计

3.1 任务分配

整个项目采用 FreeRTOS 系统进行开发，实现数数的监测和控制，开发以下几个任务：

• 光敏传感器任务：定时读取光敏传感器输出口的电压值，并进行数据处理，得到当前的光照强度。
• 温度传感器任务：定时向 DS18B20 温度传感器发送温度采样请求，接收并解析响应数据，得到当前的太阳能集热器表面温度和水箱内温度。
• 液位传感器任务：定时读取液位传感器输出口的电压值，并进行数据处理，得到当前的水箱水位高度。
• 控制任务：根据光照强度、温度和水位高度等参数，决定是否需要启动水泵或电磁阀等设备。

伪代码如下：

void Light_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         voltage = ADC_Get_Voltage(); // 获取光敏传感器输出电压
         light_intensity = voltage * 100 / 3.3f; // 根据电压计算光照强度
         vTaskDelay(1000); // 延时 1s
     }
 }
 ​
 void Temperature_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         DS18B20_Start_Conversion(); // 向温度传感器发送采样请求
         temperature1 = DS18B20_Read_Temperature(); // 读取太阳能集热器表面温度
         temperature2 = DS18B20_Read_Temperature(); // 读取水箱内温度
         vTaskDelay(1000); // 延时 1s
     }
 }
 ​
 void Water_Level_Sensor_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         voltage = ADC_Get_Voltage(); // 获取液位传感器输出电压
         water_level = voltage * 100 / 3.3f; // 根据电压计算水位高度
         vTaskDelay(1000); // 延时 1s
     }
 }
 ​
 void Control_Task(void)
 {
     while (1)
     {
         if (light_intensity > THRESHOLD && temperature1 > THRESHOLD && water_level > THRESHOLD) // 如果各种参数均符合要求，则启动水泵和电磁阀
         {
             GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 启动水泵
             GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 关闭电磁阀
         }
         else // 否则关闭水泵，打开电磁阀，放水
         {
             GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 关闭水泵
             GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 启动电磁阀
         }
         vTaskDelay(1000); // 延时 1s
     }
 }

3.2 光敏传感器任务

/* 光敏传感器任务 */
 void Light_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   uint16_t adc_value;
 ​
   while (1)
   {
     /* 读取 ADC 值并计算光照强度 */
     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)); // 延时 1s
   }
 }

在函数中，声明一个变量 adc_value 用于存储读取到的 ADC 值。使用 if 条件语句检查 ADC 是否成功启动，并且使用 HAL_ADC_PollForConversion() 函数判断当前转换是否完成，如果转换完成，就获取 ADC 值，并且通过简单的计算公式将 ADC 值转换为光照强度值，最后将结果存储在 light_intensity 变量中。

3.3 温度传感器任务

/* 温度传感器任务 */
 void Temperature_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   float temperature;
 ​
   /* 初始化 DS18B20 */
   DS18B20_Init(&htim2, GPIOA, GPIO_PIN_10);
 ​
   while (1)
   {
     /* 读取温度值 */
     temperature = DS18B20_Read_Temperature();
 ​
     /* 将读取到的温度值存储在全局变量中 */
     current_temperature = temperature;
 ​
     vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时 1s
   }
 }

在函数中，声明一个变量 temperature 用于存储读取到的温度值。然后，调用函数 DS18B20_Init() 初始化 DS18B20 温度传感器。使用 DS18B20_Read_Temperature() 函数读取温度值，并且将结果存储在 temperature 变量中。最后，将读取到的温度值存储在全局变量 current_temperature 中。

3.4 液位传感器任务

/* 液位传感器任务 */
 void Liquid_Level_Sensor_Task(void *pvParameters)
 {
   uint16_t adc_value;
   float voltage;
 ​
   /* 初始化液位传感器 GPIO 口 */
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
 ​
   while (1)
   {
     /* 读取 ADC 值并计算电压值 */
     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;
       }
     }
 ​
     /* 根据电压值计算液位高度 */
     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)); // 延时 1s
   }
 }

在函数中，声明变量 adc_value 和 voltage，分别用于存储读取到的 ADC 值和计算得到的电压值。使用 HAL_GPIO_WritePin() 函数初始化液位传感器 GPIO 口，将启用传感器的引脚设置为高电平。使用 if 条件语句检查 ADC 是否成功启动，并且使用 HAL_ADC_PollForConversion() 函数判断当前转换是否完成，如果转换完成，就获取 ADC 值，并且通过简单的计算公式将 ADC 值转换为电压值，并将结果存储在 voltage 变量中。

由于需要使用电压值计算液位高度，使用 if 条件语句检查电压是否小于低液位警戒电压 0.5V 或者大于高液位警戒电压 2.5V，如果是则分别将液位高度设置为 0% 或 100%，否则使用简单的线性关系计算液位高度。

3.5 控制任务

/* 控制任务 */
 void Control_Task(void *pvParameters)
 {
   float temperature_setpoint = 25.0; // 设定温度值
   float liquid_level_setpoint = 50.0;  // 设定液位高度值
   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; // 温度 PID 参数
   float kp_liquid_level = 0.2, ki_liquid_level = 0.05, kd_liquid_level = 0.02; // 液位高度 PID 参数
 ​
   while (1)
   {
     /* 计算温度 PID 控制器输出 */
     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;
 ​
     /* 计算液位高度 PID 控制器输出 */
     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;
 ​
     /* 通过 PWM 控制加热器和水泵电机 */
     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)); // 延时 10ms
   }
 }

在函数中：

（1）定义参数和变量，包括设定温度值、设定液位高度值、温度 PID 控制器的参数、液位高度 PID 控制器的参数等。使用 while 循环处理控制逻辑，循环开始时，计算温度 PID 控制器输出。

（2）计算当前误差，并将误差累积到积分项中。计算误差变化率，并使用 PID 参数计算出输出值，将结果存储在 temperature_output 中，并将当前误差存储在 last_temperature_error 中以便于下一次计算，计算液位高度 PID 控制器输出。

（3）根据控制器输出值通过 PWM 控制加热器和水泵电机的运行状态。如果输出值大于 0，则启用电机或加热器并设置对应的 PWM 占空比，否则关闭电机或加热器并将 PWM 占空比设为 0。

审核编辑 黄宇