使用搭配带屏12指神探的传感器扩展板实现恒温控制系统

内容介绍

任务要求：

具体要求：

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

项目分析：

通过IIC获取NSHT30的温度数值
LCD显示，显示目标温度和设定温度。

项目流程图：

环境配置：

Thonny:

可以在官网进行下载，简单易上手。在硬禾学堂有讲师手把手教学【ヾ(^▽^*)))】，参考了2023年寒假在家一起练，链接如下：直播1：基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台板卡介绍+环境搭建 (eetree.cn)

作为平时写程序的主要工具，对于界面的舒适性肯定要高一些，初始界面有点太亮了，长时间看会感到光线有点刺眼。

可以在这里调节一下Thonny的主题:

FvBMPN36jM1bZvVi_eGdN8kg0ZDz

这里是我现在常用的主题，大家可以根据自己的喜好进行选择去选择 (づ￣ 3￣)づ

Fqs_tjTnTiQ9oz4cOTRdcUaPlWP0

主要程序代码分析：

#sht30.py 
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"

在sht30.py 部分对于引脚所接温湿度传感器进行温度读取及数据处理。

main.py主要包括三个部分：

1.引入库文件

from machine import I2C, Pin
import time
import uos
import test.st7789 as st7789
from test.fonts import vga2_8x8 as font1
from test.fonts import vga1_16x32 as font2
import random
import framebuf
from machine import Pin, SPI, ADC,PWM
import time, math,array
from utime import sleep_ms
import struct
from simple_pid import PID

2.外设引脚定义

#lcd
st7789_res = 0
st7789_dc  = 1
disp_width = 240
disp_height = 240
CENTER_Y = int(disp_width/2)
CENTER_X = int(disp_height/2)
spi_sck=Pin(2)
spi_tx=Pin(3)
spi0=SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)
display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                          reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                          dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                          xstart=0, ystart=0, rotation=0)
display.fill(st7789.BLUE)

#sht30
i2c = I2C(0,sda=Pin(20), scl=Pin(21))
def read_sht30():
    # 定义SHT30的I2C地址
    SHT30_I2CADDR = 0x44
    # 定义读取温度和湿度的命令
    CMD_MEASURE = bytearray([0x2C, 0x06])
    # 向SHT30发送测量命令
    i2c.writeto(SHT30_I2CADDR, CMD_MEASURE)
    # 延时等待测量结果
    time.sleep(0.015)
    # 读取测量结果，共6字节，包含温度、湿度和各自的校验值
    data = i2c.readfrom(SHT30_I2CADDR, 6)
    # 计算温度和湿度
    temp = -45 + 175 * ((data[0] << 8 | data[1]) / 65535)
    temp = round(temp, 2)
    humidity = 100 * ((data[3] << 8 | data[4]) / 65535)
    humidity = (humidity, 2)
    return temp, humidity

#key
buttonM = Pin(5,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #B
buttonS = Pin(6,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonL = Pin(7,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonPRESS = Pin(8,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonR = Pin(9,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A

3.功能实现函数

首先开始与SHT30进行通信，将温湿度的数据显示在LCD上。

temp, humidity = read_sht30()
display.text(font1, "TEM:"+str(temp), 10, 90)

3.主循环

在主循环中先对SHT30进行温度数据的采集及数据处理，之后在LCD上进行温度的显示，通过PID算法计算输出PWM的占空比从而控制MOS管开关进而控制加热电阻的温度，从而实现恒温控制。

while True:
    
    heating_pin.freq(200)
    pid = PID(30,8.0, 0.1, setpoint=set_temp,output_limits = (0, 65535))
    buttonValueM = buttonM.value()
    buttonValueS = buttonS.value()
    buttonValueL = buttonL.value()
    buttonValuePRESS = buttonPRESS.value()
    buttonValueR = buttonR.value()
    
    
    temp, humidity = read_sht30()
    heating_pin.duty_u16(math.ceil(heating_out))
    print(heating_out)
    heating_out = abs(pid(temp)*1024)
    display.text(font1, "TEM:"+str(temp), 10, 90)
    display.text(font1, "SET:"+str(set_temp), 10, 100)
    if(buttonM.value() == 0):
        time.sleep_ms(45)
        set_temp = set_temp - 1
        
    if(buttonS.value() == 0):
        time.sleep_ms(45)
        set_temp = set_temp + 1
    while(buttonPRESS.value() == 0):
        heating_pin.duty_u16(0)

PID算法部分

本次使用到了Python库中的PID算法

使用遇到的问题：

因为在最初不熟悉这个库，所以在使用时发现当接近但小于目标温度时温控系统正常，但当大于目标温度时又会快速升高温度，而且加热电阻处于功率较高的状态，后续通过阅读pid.py的源码发现需要限制输出范围，保证不会输出负值，因为在主循环计算时将输出值进行了绝对值求取，所以出现了本段中的问题。

因此，在初始化部分修改一下，调整一下PID参数，即可实现良好的温控效果。

MCU简介：

RP2040是树莓派针对嵌入式应用设计发布的一款低功耗可嵌入式设备。可以通过C/C++/MicroPython进行设计开发。

在开发语言方面已知可用的有两种方式：

方式一：

通过C/C++进行程序的设计开发

方式二：

通过MicroPython进行程序的设计开发

最终方案：

使用MicroPython进行程序的开发，理由如下：

树莓派RP2024对于MicroPython的支持较为完善，可以直接在MicroPython官网进行固件的下载。

MicroPython程序简练，无需将时间大量花在程序的书写之中。

MicroPython有很多的库参考，可以将时间聚焦于程序的实现方法上。

MCU处理器的处理速度不断增强，Python的应用也扩展到嵌入式应用之中。

设计过程中遇到的问题及解决方法：

在使用最开始时计划使用C++进行开发设计，后来通过原理图了解到RP2040的串口未引出，数据无法通过串口进行打印，调试较为不便，于是选用MicroPython进行开发设计。

未来的计划：

计划将Pico扩展板中的其他传感器加以利用，构建一个智能家居系统。

使用板载麦克风检测周围环境音量，利用LCD进行显示。