STM32智能饮水机系统设计详解

一、项目背景

随着智能化的迅速发展，人们对于生活中的各类设备也越来越有智能化的需求，其中智能饮水机是一种比较常见的设备。智能饮水机不仅可以提供饮用水，还可以通过智能化的技术满足人们对于水质、水温、出水量等方面的需求。因此，当前设计了一种基于STM32的智能饮水机系统，以满足人们对智能化饮水机的需求。

智能饮水机系统其主要功能包括：

【1】控制加热芯片：通过继电器模块控制加热芯片，在水烧开后自动断电。

【2】液位感应：使用液位传感器感应水箱水位，当水位过低时通过语音模块进行播报提示。

【3】移动端控制：Android手机端可以显示当前双水箱内的水温，设置出水温度及出水量，并且还可以控制出水操作。

【4】主控芯片：采用STM32F103RCT6主控芯片，这款芯片有着强劲的处理能力和丰富的外设资源，可以满足饮水机系统的控制需求。

【5】WIFI通信：选择ESP8266与手机端通信，可以实现远程控制。

【6】水温测量：采用DS18B20实现水温测量，能够准确地测量水温。

【7】出水开关控制：采用SG90电机实现出水开关控制，可以精准地控制出水量。

【8】本地有2个指示灯，绿色和红色灯。可以表示加热状态。

二、系统硬件设计

【1】系统核心芯片选择

STM32F103RCT6作为本系统的主控芯片，其具有较高的计算速度和稳定性，在众多STM32系列中也是使用比较广泛的型号之一。

【2】温度测量模块

温度测量采用DS18B20数字温度传感器，通过单总线协议与主控芯片进行通信，实现对水温的精准测量。

【3】液位检测模块

液位检测采用液位传感器，通过测量水箱内水位来判断是否需要进行添加水操作。

【4】控制加热芯片模块

继电器模块负责控制加热芯片，当水烧开后自动断电，以确保水的安全。

【5】出水操作模块

出水操作通过SG90电机实现，其可以控制水龙头的开关，实现出水的自动控制。

【6】WIFI通信模块ESP8266作为WIFI模块，与手机端进行通信，实现了智能饮水机系统的远程操控和监测。

三、系统软件设计

【1】温度测量与显示模块

STM32芯片通过单总线协议与DS18B20传感器进行通信，获取当前水温数据，并将其通过LCD1602液晶显示屏展示在饮水机面板上。

【2】液位检测模块

液位传感器负责检测水箱内水位情况，并将水位数据传递给主控芯片。当水位过低时，系统会通过语音提示模块向用户发出添加水的提醒。

【3】控制加热芯片模块

主控芯片通过继电器模块控制加热芯片的开关，在水烧开后自动断电，以保证水的安全性。

【4】出水操作模块

出水操作通过SG90电机控制，实现了对饮水机出水的自动控制。同时，在Android手机端，用户可以设置出水温度和出水量，使得出水操作更加便捷。

【5】WIFI通信模块

系统通过ESP8266与Android手机端进行通信，实现了智能饮水机系统的远程操控和监测功能。用户可以通过手机端查看当前双水箱内的水温并进行相应的操作。

ESP8266配置成AP+TCP服务器模式，开启WIFI热点等待手机连接，手机连接之后使用TCP客户端模式连接饮水机完成数据通信。

四、核心代码

4.1 SG90控制代码

SG90电机是一种小型舵机，用于模型航空、船模、车模和机器人等小型机械装置中，可以控制舵、飞控等运动部件的转动角度。其最大扭矩为1.6kg/cm（4.8V时），转速为0.12秒/60度（4.8V时），工作电压为4.8V~6V。SG90电机采用三线接口，其中红色接VCC（正极）、棕色接GND（负极）、橙色接PWM信号线，可以通过控制器的PWM信号控制电机的角度。

以下是使用延时模拟PWM波形控制SG90电机旋转并封装成子函数的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

#define SG90_PIN GPIO_Pin_5
#define SG90_PORT GPIOB

void SG90_rotate(uint8_t angle);

int main(void)
{
    // 初始化GPIOB时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    // 配置PB5为推挽输出
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SG90_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SG90_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    while (1)
    {
        SG90_rotate(0); // 转到0度
        delay_ms(1000);
        
        SG90_rotate(90); // 转到90度
        delay_ms(1000);
        
        SG90_rotate(180); // 转到180度
        delay_ms(1000);
    }
}

void SG90_rotate(uint8_t angle)
{
    // 计算PWM波形高电平持续时间
    uint32_t high_time = 500 + angle * 11.11;
    
    // 发送PWM波形
    GPIO_SetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
    delay_us(high_time);
    GPIO_ResetBits(SG90_PORT, SG90_PIN);
    delay_us(20000 - high_time);
}

在上面的代码中，将SG90电机控制引脚连接到了STM32F103的PB5口，并通过计算PWM波形高电平持续时间来控制电机旋转角度。使用了SG90_rotate子函数来实现控制过程。当调用SG90_rotate函数并传入目标旋转角度时，函数会自动计算出对应的PWM波形高电平持续时间，并发送PWM波形来控制电机旋转到指定角度。使用了delay_ms和delay_us这两个函数来实现延时操作。

4.2 DS18B20温度传感器

DS18B20是一种数字温度传感器，它可以直接测量环境温度并转换为数字信号输出。DS18B20温度传感器采用一线式总线接口（也叫单总线接口），具有精度高、抗干扰能力强、可靠性高和使用方便等优点。

DS18B20温度传感器的测量范围为-55℃~+125℃，精度为±0.5℃。传感器内置了温度补偿电路，可以自动补偿温度影响导致的测量误差。

DS18B20温度传感器有多种封装形式，包括TO-92封装、SOIC封装和TO-263封装。其中TO-92封装是最常见的，也最容易使用，它的引脚分别为GND（负极）、DQ（数据线）和VDD（正极）。传感器可以通过单总线接口连接控制器，控制器通过发送指令读取传感器的数据。

以下是接口函数的代码示例：

#include "stm32f103xb.h"
#include <stdint.h>

#define DS18B20_GPIO_Port GPIOB
#define DS18B20_GPIO_Pin  GPIO_PIN_6

void delay_us(uint16_t us)
{
    uint16_t i;
    for(i=0; i<us*8; i++);
}

void DS18B20_Init(void)
{
    // 设置PB6为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_GPIO_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(DS18B20_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

    // 拉低总线500us-1000us复位DS18B20
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(600);
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(60);

    // 等待DS18B20拉低总线告知存在
    while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
    delay_us(240);

    // 发送SKIP ROM指令（跳过ROM应答）
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(2);
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(60);

    // 等待DS18B20转换完成
    while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
}

float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
    float temperature = 0;

    // 发送START CONVERT指令（启动转换）
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(2);
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(60);

    // 等待DS18B20转换完成
    while(HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET);

    // 发送READ SCRATCHPAD指令（读取温度值）
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(2);
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(60);

    // 读取温度值
    uint8_t data[9] = {0};
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            delay_us(2);
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
            delay_us(10);
            data[i] |= (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_GPIO_Pin) << j);
            delay_us(50);
        }
    }

    // 计算温度值
    int16_t rawTemperature = (data[1] << 8) | data[0];
    if (rawTemperature & 0x8000) {
        rawTemperature = ~rawTemperature + 1;
        temperature = (float)rawTemperature * -0.0625;
    } else {
        temperature = (float)rawTemperature * 0.0625;
    }

    return temperature;
}

调用方式：

DS18B20_Init(); // 初始化
float temperature = DS18B20_ReadTemperature(); // 读取温度值

五、总结

本项目是基于STM32的智能饮水机系统设计，实现了自动断电、液位感应、语音提示、手机远程控制等功能。其中，STM32主控芯片选择STM32F103RCT6，WIFI选择ESP8266与手机端通信，水温测量采用DS18B20，出水开关控制采用SG90电机实现。

通过继电器模块控制加热芯片，在水烧开后自动断电，避免了过度烧水和安全隐患。同时，利用液位传感器感应水箱水位，当水位过低时通过语音模块进行播报提示，提醒用户及时加水。

在Android手机端，用户可以方便地查看当前双水箱内的水温，设置出水温度及出水量，并控制出水操作。这极大地提高了用户的使用体验和方便性。

本项目具有实用性和创新性，不仅满足了用户对智能化、便捷化的需求，也展示了STM32等技术在智能家居领域的应用前景。