基于搭配12指神探的传感器扩展版制作的恒温控制系统

内容介绍

2024年寒假练

—— 基于搭配12指神探的传感器扩展版制作的恒温控制系统

一.项目介绍

本项目依托2024寒假在家一起练，基于RP2040平台，实现了搭配12指神探的传感器扩展版制作的恒温控制系统。本项目基于RP2040主控，通过加热电阻控制环境温度，温湿度传感器感应环境温度，用按键控制目标温度，并在LCD屏幕上显示目标温度及实时温度，取得了良好的效果，具有一定的价值。

项目任务：

至少使用一种自控算法控制，如PID等
可用按键或拨轮控制目标温度
可在LCD屏上显示目标温度及实时温度

二.设计思路

通过GPIO控制可升高加热电阻温度，即升高环境温度
加热电阻工作时间越长，环境温度越高，即将温度的变量转换为加热电阻工作时间长短的变量
传感器传回当前温度和目标温度，并由PID算法控制加热时间长短
温湿度传感器感应当前环境温度，并通过I2C传输协议将数据传回主控
LCD屏幕动态显示目标温度和实时温度变化，按键波动控制目标温度大小

三.硬件介绍

1.带屏12指神探

这个模块是通过Type C的USB接口提供供电、下载以及通信的功能，板上有5V转3.3V，最高支持800mA的电压变换器，在12根引脚上也将5V和3.3V引出，方便对其它外设板供电。

主控芯片：采用树莓派Pico核心芯片RP2040

双Arm Cortex M0+内核，可以运行到133MHz
264KBSRAM，板卡上外扩2MBFlash
性能强大、高度灵活的可编程IO（PIO）可用于高速数字接口
拥有2个UART、2个SPI、2个I2C、16个PWM通道以及4路12位精度ADC
支持MicroPython、C、C++编程
拖拽UF2固件至U盘的方式烧录固件，方便快捷

板上功能

TYPE-C接口用于供电和数据传输
一个boot按键用于进入boot模式
两个可程控按键和一个拨轮用于自定义功能
搭载240*240分辨率的LCD彩屏，通过SPI接口进行通信，控制器为常用的ST7789芯片，例程丰富便于开发
扩展接口包含5v、3.3v输出、GND。9个GPIO，可同时使能最多三个通道ADC

2.传感器扩展版

sensor_board-V1.0_00.png

扩展板搭载了几款常见传感器和功能模块，包括为初学者准备的麦克风、蜂鸣器、、红外收发、霍尔效应开关、加热电阻，为进阶操作准备的温湿度传感器、六轴传感器、接近/环境光/IR传感器、颜色传感器。其中温湿度传感器、六轴传感器、接近传感器、颜色传感器可拆卸为单个模块，通过杜邦线等连接线延伸其使用的空间范围。

加热电阻通过GPIO口控制。当IO22处于高电平输出状态时，加热电阻工作，同时LED指示灯亮起。

NSHT30温湿度传感器模块是通过IIC驱动，I2C 总线只使用两条总线线路，SDA、SCL。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主控可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

蜂鸣器通过GPIO口控制。对IO23口输出PWM波，通过对其设置频率和幅度控制蜂鸣器工作音量的高低和大小。

四.功能介绍

左键控制升高温度，右键控制降低温度
升高温度时，蜂鸣器随之工作
随着目标温度的变化，PID算法控制加热电阻随之使用/禁用
具体使用详见视频

微信图片_20240204135320.jpg

五.主要代码

1.NSHT30.py通过I2C协议工作

此处使用的开源库读取传感器。参考【https://space.bilibili.com/1349435951?spm_id_from=333.1007.0.0】

"""
https://space.bilibili.com/1349435951?spm_id_from=333.1007.0.0
"""
from machine import Pin,I2C
import time
 
# I2C address B 0x44 ADDR (pin 2) connected to GND
DEFAULT_I2C_ADDRESS = 0x44
 
class SHT30:
 
    POLYNOMIAL = 0x131  # P(x) = x^8 + x^5 + x^4 + 1 = 100110001
 
    ALERT_PENDING_MASK = 0x8000     # 15
    HEATER_MASK = 0x2000            # 13
    RH_ALERT_MASK = 0x0800          # 11
    T_ALERT_MASK = 0x0400           # 10
    RESET_MASK = 0x0010             # 4
    CMD_STATUS_MASK = 0x0002        # 1
    WRITE_STATUS_MASK = 0x0001      # 0
 
    # MSB = 0x2C LSB = 0x06 Repeatability = High, Clock stretching = enabled
    MEASURE_CMD = b'\x2C\x10'
    STATUS_CMD = b'\xF3\x2D'
    RESET_CMD = b'\x30\xA2'
    CLEAR_STATUS_CMD = b'\x30\x41'
    ENABLE_HEATER_CMD = b'\x30\x6D'
    DISABLE_HEATER_CMD = b'\x30\x66'
 
    def __init__(self, i2c=None, delta_temp=0, delta_hum=0, i2c_address=None):
        if i2c is None:
            raise ValueError('An I2C object is required.')
        self.i2c = i2c
        self.i2c_addr = i2c_address
        self.set_delta(delta_temp, delta_hum)
        time.sleep_ms(50)
 
    def is_present(self):
        """
        Return true if the sensor is correctly conneced, False otherwise
        """
        return self.i2c_addr in self.i2c.scan()
 
    def set_delta(self, delta_temp=0, delta_hum=0):
        """
        Apply a delta value on the future measurements of temperature and/or humidity
        The units are Celsius for temperature and percent for humidity (can be negative values)
        """
        self.delta_temp = delta_temp
        self.delta_hum = delta_hum
 
    def _check_crc(self, data):
        # calculates 8-Bit checksum with given polynomial
        crc = 0xFF
 
        for b in data[:-1]:
            crc ^= b
            for _ in range(8, 0, -1):
                if crc & 0x80:
                    crc = (crc << 1) ^ SHT30.POLYNOMIAL
                else:
                    crc <<= 1
        crc_to_check = data[-1]
        return crc_to_check == crc
 
    def send_cmd(self, cmd_request, response_size=6, read_delay_ms=100):
        """
        Send a command to the sensor and read (optionally) the response
        The responsed data is validated by CRC
        """
        try:
            self.i2c.writeto(self.i2c_addr, cmd_request)
            if not response_size:
                return
            time.sleep_ms(read_delay_ms)
            data = self.i2c.readfrom(self.i2c_addr, response_size)
 
            for i in range(response_size//3):
                if not self._check_crc(data[i*3:(i+1)*3]):  # pos 2 and 5 are CRC
                    raise SHT30Error(SHT30Error.CRC_ERROR)
            if data == bytearray(response_size):
                raise SHT30Error(SHT30Error.DATA_ERROR)
            return data
        except OSError:
            raise SHT30Error(SHT30Error.BUS_ERROR)
        except Exception as ex:
            raise ex
 
    def clear_status(self):
        """
        Clear the status register
        """
        return self.send_cmd(SHT30.CLEAR_STATUS_CMD, None)
 
    def reset(self):
        """
        Send a soft-reset to the sensor
        """
        return self.send_cmd(SHT30.RESET_CMD, None)
 
    def status(self, raw=False):
        """
        Get the sensor status register.
        It returns a int value or the bytearray(3) if raw==True
        """
        data = self.send_cmd(SHT30.STATUS_CMD, 3, read_delay_ms=20)
 
        if raw:
            return data
 
        status_register = data[0] << 8 | data[1]
        return status_register
 
    def measure(self, raw=False):
        """
        If raw==True returns a bytearrya(6) with sensor direct measurement otherwise
        It gets the temperature (T) and humidity (RH) measurement and return them.
        The units are Celsius and percent
        """
        data = self.send_cmd(SHT30.MEASURE_CMD, 6)
 
        if raw:
            return data
 
        t_celsius = (((data[0] << 8 |  data[1]) * 175) / 0xFFFF) - 45 + self.delta_temp
        rh = (((data[3] << 8 | data[4]) * 100.0) / 0xFFFF) + self.delta_hum
        return t_celsius, rh
 
    def measure_int(self, raw=False):
        """
        Get the temperature (T) and humidity (RH) measurement using integers.
        If raw==True returns a bytearrya(6) with sensor direct measurement otherwise
        It returns a tuple with 4 values: T integer, T decimal, H integer, H decimal
        For instance to return T=24.0512 and RH= 34.662 This method will return
        (24, 5, 34, 66) Only 2 decimal digits are returned, .05 becomes 5
        Delta values are not applied in this method
        The units are Celsius and percent.
        """
        data = self.send_cmd(SHT30.MEASURE_CMD, 6)
        if raw:
            return data
        aux = (data[0] << 8 | data[1]) * 175
        t_int = (aux // 0xffff) - 45
        t_dec = (aux % 0xffff * 100) // 0xffff
        aux = (data[3] << 8 | data[4]) * 100
        h_int = aux // 0xffff
        h_dec = (aux % 0xffff * 100) // 0xffff
        return t_int, t_dec, h_int, h_dec
 
 
class SHT30Error(Exception):
    """
    Custom exception for errors on sensor management
    """
    BUS_ERROR = 0x01
    DATA_ERROR = 0x02
    CRC_ERROR = 0x03
 
    def __init__(self, error_code=None):
        self.error_code = error_code
        super().__init__(self.get_message())
 
    def get_message(self):
        if self.error_code == SHT30Error.BUS_ERROR:
            return "Bus error"
        elif self.error_code == SHT30Error.DATA_ERROR:
            return "Data error"
        elif self.error_code == SHT30Error.CRC_ERROR:
            return "CRC error"
        else:
            return "Unknown error"

2.使能加热电阻和蜂鸣器

#定义第22引脚为heat，设置为输出模式
heat = Pin(22, Pin.OUT)
#heat加热高电平电阻工作
heat.value(1)
#PWM波控制蜂鸣器工作
mic = machine.PWM(Pin(23))
#设置输出频率控制音调
mic.freq(50)
#设置占空比控制音量
mic.duty_u16(80)

3.PID算法控制加热时间（温度高低）

PID算法最常用在电机转速控制中，此处可以类比到温度控制上。不同的是电机转速可以人为调低，温度降低只能禁用电阻，因此在调整加热电阻使用时间时候需要调整公式使其合适。如在增量输出时，手动调整原先的输出量为其1/30，再加上增量则可以较好控制温度变化。参考【http://t.csdnimg.cn/U3J6y】

（1）P值作用

如果当前的温度值和目标值相差很大，我们增加加热时间，让温度快速达到目标值，PID中的P就扮演着重要的作用，这里的P我使用Position_KP代替，PWM=Position_KP*（target-position），当前的温度和目标相差越大，输出的PWM值就会越大，可以快速达到目标速度值。

（2）I值作用

PID中的I的作用是为了消除静差，设置一个积分量。只要偏差存在，就不断地对偏差进行积分（累加），并反应在调节力度上。KI的值越大，积分时乘的系数就越大，积分效果越明显。

（3）D值作用

比较接近目标时，P的控制作用就比较小了。D的作用就是让物理量的速度趋于0，只要什么时候，这个量具有了速度，D就向相反的方向用力，尽力抑制住振荡的变化。令Bias=taget-position，令上一次求得的偏差值为Last_Bias。D项的计算公式为Position_KD*(Bias-Last_Bias)。

        Pwm=Position_KP*Bias+Position_KI*Integral_bias+Position_KD*(Bias-Last_Bias)    #位置式PID控制器
        Last_Bias=Bias
        Integral_bias+=Bias
        #增量输出
        buttonValueL=Pwm+buttonValueL/30

4.传感器的使用

有了NSHT30库，对传感器进行基本的使用

while True:
    try :
        # 判断温湿度传感器是否连接上
        if sht.is_present() != True:
            print("error")
        else:
            temp,huml = sht.measure()  # 测量温湿度
            #取整便于LCD显示
            round_temp=round(temp)
            round_huml=round(huml)
            #电脑print结果
            print("temperature: %.2f ℃"%temp)
            print("humidity: %.2f "%huml + str("%"))
            time.sleep(0.1)
            
    except SHT30Error as ex:  # 捕获异常
        print(ex)
        RuntimeError

5.温度计外形参考【https://www.eetree.cn/project/1050】

六.活动总结与未来计划

通过对本项目的学习，对I2C又有了进一步的了解，本次项目锻炼了我的编程能力，对嵌入式开发有了新的体会，受益匪浅。未来期望再次参加活动，开拓电子芯片在生活中运用的视野，改变思维模式。