2024年寒假练 - 基于平台4-搭配带屏12指神探的传感器扩展板完成恒温或恒湿控制系统

内容介绍

任务：

恒温或恒湿控制系统

需求分析：

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

硬件资源介绍：

主控：

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

扩展板搭载了几款常见传感器和功能模块：

麦克风、蜂鸣器、红外收发、霍尔效应开关、加热电阻，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.

硬件原理图：

主控：

捕获.PNG

传感器：

捕获.PNG

项目方案设计的介绍和说明:

这个方案采用arduino C++开发，通过I2C读取温湿度传感器的数值可以实时的显示温度和湿度。

通过拨码开关可以设定目标温度数值，并且可以打开或者关闭自动控制。

通过设定的目标值可以把温度稳定，并实时的通过串口输出曲线。（在视频上有详情展示）

主板引脚情况：

屏幕接口：

LCD_RST IO0

LCD_DC IO1

LCD_SCL IO2

LCD_SDA IO3

LCD_CS IO4

两个按键：

KEY_M IO5

KEY_S IO6

拨轮开关：

KEY_L IO7

KEY_OK IO8

KEY_R IO9

侧面有12个插针，分别对应：

GND 3V3

IO20 5V

IO21 IO25

IO22 IO26

IO23 IO27

IO24 IO28

其中I2C接口：用来驱动温湿度传感器

I2C_SDA IO20

I2C_SCL IO21

实现流程：

开发过程和具体步骤：

（1）驱动st7789屏幕

通过TFT-espi库驱动，需要修改userSetup.h中的参数，分辨率为240*240。具体可以参考很多网上例程。

（2）调试通过NSHT30温湿度传感器

NSHT30实际上就是国产厂商用来替换SHT30用的，接口驱动代码和SHT30是一样的，所以驱动NSHT30可以

直接用SHT30的驱动代码。

（3) Pid控温，参数调节，按键交互

PID控制可以直接使用arduino的pid库，使用起来很简单。

PID的参数调节最好使用串口输出，这样比较容易调节（详情件视频中的串口实时输出）。

按键交互比较简单，只需要按键消抖就可以了。

当自动控制没有打开时候，on数值是0，此时显示的是室温的温湿度。

当打开自动控制时候，on数值从0变成1，红色led代表了pwm的输出大小。温度会不断升值去逼近目标设定数值。

遇到的主要难题及解决方法：

最开始打算用micropython做刷屏，PID处理，但是实际上感觉python对字节数据，位数据操作还是不如C方便，速度也比较慢。后来使用cmake做，但是cmake做太费时间了，没有丰富的library可以使用，要自己一个个移植，后来果断转向arduino。

以下是主要代码部分：

驱动温湿度传感器：

void read_temp()
{
    //定义数组以存储获取的6个数据
  unsigned char data[6];
  //开始传输，设置I²C从机地址
  Wire.beginTransmission(Addr_SHT30);
  //发送测量命令0x2C06,由于一次只能发一个8位数据，因此分开发两次
  Wire.write(0x2C);
  Wire.write(0x06);
  //I²C停止
  Wire.endTransmission();
  //延时（等待测量数据）
  delay(20);
  //请求获取6字节的数据，传入对应的从机地址
  Wire.requestFrom(Addr_SHT30, 6);
  //判断是否成功读取到6个字节
  if (Wire.available() == 6) {
    //成功读取，则将数据存入data数组
    for (int i = 0; i <= 5; i++) {
      data[i] = Wire.read();
    }
  } else {
    //读取失败则打印"error!"
    Serial.println("error!");
    return;
  }
  //计算得到的数据将其转化为直观的温度和湿度，公式参考下方说明
  cTemp = ((((data[0] * 256) + data[1]) * 175.0f) / 65535.0f) - 45.0f;
  humidity = ((((data[3] * 256) + data[4]) * 100.0f) / 65535.0f);
}

驱动屏幕：

 tft.fillScreen(TFT_BLACK);

  //设置起始坐标(20, 10)，4 号字体
  tft.setCursor(20, 10, 4);
  // 设置文本颜色为白色，黑色文本背景
  tft.setTextColor(TFT_WHITE, TFT_BLACK);
  // 设置显示的文字，注意这里有个换行符 \n 产生的效果
  tft.println("Temp PID System");
   
  tft.setTextColor(TFT_YELLOW);
  tft.setCursor(50, 120);
  tft.print("on:");
  tft.print((onoff == 0) ? 0 : 1);
  tft.setCursor(50, 150);
  tft.print("set temp:");
  tft.print(set_temp);
  tft.setCursor(50, 180);
  tft.print("temp:");
  tft.println(cTemp);
  tft.setCursor(50, 210);
  tft.print("humid:");
  tft.println(humidity);

pid和按键交互：

Input = cTemp;
  Setpoint = set_temp;

  if(onoff != 0){
    myPID.Compute();
    analogWrite(PIN_OUTPUT, Output);
  }
  else
  {
    analogWrite(PIN_OUTPUT, 0);
  }
  
  if(digitalRead(buttonPin_add)== LOW)
  {
      delay(10);
      {
          if(digitalRead(buttonPin_add)== LOW);
          set_temp++;
      }
  }
  if(digitalRead(buttonPin_sub)== LOW)
  {
     delay(10);
      {
          if(digitalRead(buttonPin_sub)== LOW);
          set_temp--;
      }
  }
  if(digitalRead(buttonPin_onoff)== LOW)
  {
     delay(20);
      {
          if(digitalRead(buttonPin_onoff)== LOW);
          onoff = ~onoff ;
      }
  }