聲明本人鄭重聲明：所呈交的設計是本人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得研究結果。設計在引用他人已經發表或撰寫的研究成果時，已經作了明確的標識；除此之外，設計中不包括其他人已經發表或撰寫的研究成果，均為獨立完成。其他同志對本文所做的任何貢獻均已在設計中做了明確的說明并表達了謝意。學生簽名：___________年月日導師簽名：___________年月日

摘要II-摘要隨著科技的發展，人們對于飲水機的水質問題有了更深入的關注，為了更好的實現對于飲水機水質的智能監控，提高對于飲水安全的重視。通過STM32F103單片機作為核心控制器，TDS濁度檢測模塊、DS18B20溫度采集模塊、RFID射頻模塊和供電電路作為數據采集輸入端，以OLED顯示屏、加熱繼電器、蜂鳴器和WIFI模塊，用于顯示信息、控制加熱，以及遠程監控和操作等功能。系統的設計旨在提供智能化的飲水解決方案，通過實時監測濁度和水溫，以及遠程控制功能，提高了用戶對飲水機的便捷性和安全性。同時，采用物聯網技術和通信技術，使得用戶可以通過手機等設備隨時隨地監控和操作飲水機，實現了智能化的遠程管理。該設計不僅提高了飲水機的智能化水平，也為用戶提供了更加便捷、安全的飲水體驗。關鍵詞：飲水機控制；無線傳輸；傳感器采集；繼電器控制

Abstract緒論1.1項目背景與意義1.1.1項目背景隨著科技的快速發展，智能化、自動化已經成為校園管理的重要趨勢。校園飲水機作為學生們日常飲水的必備設施，其安全性和可靠性直接關系到學生的健康和生活質量。從安全性的角度來看，傳統的飲水機往往缺乏有效的監控和報警機制。一旦飲水機出現故障或水質問題，往往難以及時發現和解決，給學生的飲水安全帶來潛在威脅。因此，開發一套校園飲水機監控報警系統，能夠實時監測飲水機的運行狀態和水質情況，一旦發現異常，立即發出報警信號，提醒管理人員及時處理，從而保障學生的飲水安全REF_Ref21719\r\h[1]。研發的智能校園飲水機監控報警系統通過集成先進的傳感技術、通信技術和智能算法，為校園飲水機帶來了革命性的變革。通過濁度與溫度傳感器，系統能夠實時監控水質和水溫，確保學生飲用的水安全、健康。同時，利用WiFi、藍牙等無線通信技術，學生可以隨時隨地通過手機或其他智能設備查看并控制飲水機，實現了真正的智能化和遠程控制REF_Ref21886\r\h[2]。校園智能校園飲水機監控報警系統不僅解決了傳統飲水機存在的眾多問題，還為學生提供了更加便捷、安全、智能的飲水體驗。這一系統的推廣與應用，無疑將為校園生活帶來更多的便利與健康保障，同時也為智能家居產業的持續發展注入了新的活力。1.1.2項目意義校內智能校園飲水機監控報警系統的研究意義與應用價值，校內智能飲水機，作為一種結合了智能化技術的飲水設備，其監控報警系統不僅為學生和教職工提供了更為便捷、安全的飲水服務，還蘊含著深遠的研究意義和實際應用價值。學校是大量學生聚集的場所，飲水安全至關重要。智能飲水機的監控報警系統能夠實時監測水質和水溫，一旦發現水質不達標或水溫異常，會立即觸發報警機制，確保師生飲用的水安全無污染，從而有效維護校園內的飲水健康REF_Ref22160\r\h[3]。在智能化日益普及的今天，校內智能飲水機通過連接智能手機等設備，使師生能夠隨時隨地查看飲水機的狀態、調整水溫、水量等參數。這種智能化的操作方式，不僅提升了校園生活的便利性，還大大增強了用戶的使用體驗REF_Ref22291\r\h[4]。傳統的飲水機在無人使用時往往仍會消耗大量能源，而智能飲水機則能通過其監控報警系統實現智能管理，如定時開關、節能模式等，有效降低能源消耗，響應節能環保的號召，為綠色校園建設貢獻力量REF_Ref22425\r\h[5]。作為智能校園建設的重要組成部分，智能飲水機的推廣和應用有助于推動校園整體智能化水平的提升。通過研究和完善智能校園飲水機監控報警系統，可以進一步豐富智能校園的產品線，提升其整體競爭力。智能校園飲水機監控報警系統的研發涉及傳感技術、通信技術等多個領域。這一系統的不斷完善和優化，不僅推動了相關技術的進步，還為科研人員提供了一個實踐和創新的平臺。隨著健康意識和智能化需求的提升，智能飲水機在校園市場的需求日益增長。研發和推廣智能校園飲水機監控報警系統，不僅滿足了市場需求，還有望帶動相關產業的發展，創造可觀的經濟效益REF_Ref22559\r\h[6]。綜上所述，校內智能校園飲水機監控報警系統的研究與應用，在保障健康飲水、提升校園生活智能化水平、促進節能環保、推動科研技術創新以及滿足市場需求等方面均展現出重要價值，對推動智能校園建設和提升師生生活質量具有積極意義。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀分析國外在校園飲水機監控報警系統的研究方面已經取得了顯著的進步。借助物聯網、高精度傳感器等尖端技術，這些系統如今能夠實時監控飲水機的水溫、水位和水質等核心參數，確保用戶能隨時享用到安全、健康的水。更為值得一提的是，通過先進的智能算法和數據分析技術，系統不僅能預測飲水機的運行狀態，還能在故障發生前進行預警，從而大大降低了飲水機的維護成本和使用風險REF_Ref22640\r\h[7]。國外的研究還非常注重系統的集成性和兼容性，這使得校園飲水機監控報警系統能夠與其他智能家居系統無縫對接，為用戶提供更加便捷、智能的家居體驗。同時，嚴格的法規和標準要求也確保了這些系統的安全性和可靠性，進一步增強了消費者對產品的信任度。然而，盡管國外在校園飲水機監控報警系統的技術上有著不俗的表現，但也存在一些不可忽視的缺陷。首要的問題就是安全漏洞風險。由于這些系統高度依賴無線網絡和智能設備，因此它們很容易成為黑客攻擊的目標。一旦遭受攻擊，不僅用戶的隱私可能泄露，整個系統的穩定性也會受到嚴重影響REF_Ref22722\r\h[8]REF_Ref23022\r\h。國外在校園飲水機監控報警系統的研究方面既有值得稱贊的成就，也存在一些亟待解決的問題。未來，隨著技術的不斷進步和市場需求的變化，校園飲水機監控報警系統也將為用戶提供更加全面、高效的服務REF_Ref22797\r\h[9]。1.2.2國內研究現狀分析在國內，校園飲水機監控報警系統的研究正日益受到重視。過去，傳統的監控方式主要依賴人工巡檢，這種方式效率低下，難以實現實時監控。然而，隨著科技的進步，尤其是物聯網和傳感器技術的發展，校園飲水機監控報警系統正朝著智能化、自動化的方向邁進REF_Ref22888\r\h[10]。現代校園飲水機監控報警系統通常采用各種傳感器，如溫度傳感器、水位傳感器等，實時監測飲水機的各項關鍵參數。一旦這些參數出現異常，系統能夠立即觸發報警機制，通過多種方式如短信、APP推送等及時通知管理人員，以便他們迅速采取應對措施REF_Ref23022\r\h[11]。2020年，北京工業大學曾引入了一款的智能飲水機管理系統，該系統不僅實現了對飲水機的實時監控，還通過大數據分析優化了飲水機的維護和管理。這種智能化的管理方式，不僅提高了飲水機的運行效率，也為保障師生的飲水安全提供了有力支持。可以說，國內校園飲水機監控報警系統的研究正在不斷深入，科技手段的應用使得監控更為準確和高效。1.2.3現狀分析在國內外校園飲水機監控報警系統的研究與發展中，我們可以觀察到顯著的進步與一些共存的挑戰。國內在校園飲水機監控報警系統的研究上正逐步向智能化、自動化方向邁進，通過引入物聯網和傳感器技術，實現對飲水機的實時監控與數據管理，從而提升了系統的安全性和運行效率。然而，國內系統在某些方面仍面臨挑戰，如網絡安全防護的加強、誤報率的降低以及系統功能的多樣化等，同時缺少對于水質的監測和應用性功能。此外，國內在法規和標準建設方面還需進一步完善，以確保產品的質量和安全性REF_Ref23163\r\h[12]。相比之下，國外在校園飲水機監控報警系統的技術創新和系統集成方面走在了前列。其利用先進的傳感器技術、智能算法和數據分析工具，能夠精準監控飲水機的運行狀況，實現故障的預警與自動處理。同時，國外在網絡安全防護、降低誤報率以及提高系統應對能力等方面也取得了顯著的成效。但是，這些先進系統的成本往往較高，且對于復雜環境的適應性還需進一步提升。綜合分析，國內外在校園飲水機監控報警系統的研究中均表現出了優勢與不足。國內系統在逐步向智能化、自動化方向發展的同時，還需降低誤報率并豐富系統功能。而國外系統雖在技術創新和系統集成方面領先，但成本較高且對復雜環境的適應性和應用領域有待加強。1.3章節內容安排本文對校園飲水機監控報警系統的章節安排如下：第一部分，查閱并學習與本課題相關基礎知識，通過對本課題相關的論文的研讀，陳述本課題項目產生背景以及對項目進行相關研究的意義，并對校園飲水機監控報警系統作出的突出貢獻或關鍵性技術突破進行介紹。認真學習上述資料中的內容，將得出的問題和結論做好筆記從而能夠完成對問題的分類工作，提出問題并在相關實驗中解決對應問題。第二部分，對本次設計中的關鍵模塊進行構思，對其工作原理作進行一步宏觀的敘述。在設計的構思和設計的原理了解后，將系統的各個組成部分相關信息進行一下比較詳細的介紹。第三部分：針對第二章的方案討論進行系統的硬件設計，將方案構思落實至硬件電路設計。第四部分：對本系統的軟件代碼思路進行闡述，對于介紹系統硬件的軟件驅動方案。在設計好的硬件系統上進行軟件程序的測試優化，與預期的設計成果相對比，驗證本次畢業設計是否滿足預期的設計需求。第五部分：總結本設計中取得的優秀成果，對實物制作調試中遇到的問題進行分析反思并提供行之有效的解決方案。闡述現階段在課題研究上所存在問題以及現實局限性，對設計方案中的局限因素的產生提出了理論性假設，為后來者的研究提供了解決方向。2系統方案設計畢業設計2系統方案設計2.1設計方案選擇針對基于校園飲水機監控報警系統的設計，主要的方案選擇如下：單片機選擇：目前選擇了STM32F103單片機作為核心控制器，這是一種常用的低功耗、高性能的微控制器，具有豐富的外設接口和強大的計算能力，適合于本系統的需求。傳感器選擇：需要選擇適合的濁度檢測模塊和溫度采集模塊，建議采用穩定可靠、精度高的傳感器，例如濁度傳感器和DS18B20數字溫度傳感器。用戶界面選擇：OLED顯示屏可以實現信息的實時顯示。通信模塊選擇：WIFI模塊可以實現遠程監控和操作。電源供電：電源供電部分需要穩定可靠，建議采用適配器供電或者鋰電池供電，并考慮電池充電管理功能。加熱控制：使用繼電器確保能夠穩定可靠地控制加熱功能。綜上所述，方案選擇應該根據系統的實際需求、技術可行性、成本和市場需求等因素進行綜合考慮，確保設計方案能夠滿足用戶的需求并具有較高的性能和可靠性。2.2總體設計方案本設計采用STM32F103單片機作為核心控制器，配合其他模塊構建了校園飲水機監控報警系統。系統包括中控部分、輸入部分和輸出部分。中控部分采用STM32F103單片機，負責獲取輸入數據，并經過內部處理后控制輸出。主機輸入部分包括濁度檢測模塊、DS18B20溫度采集模塊和RC522無線射頻識別(RFID)模塊。濁度檢測模塊用于檢測當前濁度，DS18B20溫度采集模塊用于監測當前水溫，而RC522無線射頻識別(RFID)模塊于用戶操作，如實現自助式的刷卡計費和余額管理等功能。供電電路為整個系統提供電源。輸出部分包括OLED顯示屏、加熱繼電器、加水繼電器、蜂鳴器和WIFI模塊。加熱繼電器用于控制加熱功能，加水繼電器用于控制加水功能，蜂鳴器在溫度超過設定閾值時進行報警。WIFI模塊實現遠程監控和操作，用戶可通過手機等設備查看水溫、濁度，設置閾值，切換模式，以及控制加熱和加水等功能。這一系統設計旨在提供智能化的飲水解決方案，通過實時監測和遠程控制功能，提高了用戶對飲水機的便捷性和安全性。整體系統框圖如下：圖2.1系統框圖根據上述框圖部分，進行總結分析，主要如下：（1）溫度的檢測與控制：通過溫度傳感器和加熱棒實現對于飲水機溫度的檢測和控制。（2）水質的檢測與報警：通過TDS濁度檢測實現對于水箱內水質的檢測，當超過設定的參數值的時候可以進行遠程的報警。（3）手動消毒：通過控制臭氧消毒系統和紫外消毒，可以實現對于水箱內水的清潔和消毒功能。（4）通過RFID可以實現對于校園卡的識別和消費功能，學生可以刷卡取水，根據出水量計算費用。（5）通過設計通信模塊，實現遠程通信，管理者可以通過APP查看相關的數據，并且可以通過APP接收報警信息。（6）OLED主要用于人機交互，顯示相關的信息，同時蜂鳴器用于報警，MOS的作用與三極管作用相似，起到驅動的能力。2.3設計思路校園飲水機監控報警系統的設計思路主要包括以下幾個方面：（1）功能需求分析：首先對校園飲水機監控報警系統的功能需求進行分析和明確，包括實時監測水質、水溫等參數、遠程監控和控制、異常情況報警等功能。根據用戶需求和實際應用場景確定系統需要具備的功能。（2）硬件選型分析：根據功能需求，選擇適合的硬件設備和傳感器，如濁度傳感器、溫度傳感器、WiFi模塊、液晶顯示屏、繼電器等。確保硬件設備具有穩定性、可靠性和高性能，能夠滿足系統的要求。（3）系統架構分析：設計系統的整體架構，包括中控部分、輸入部分和輸出部分。中控部分采用STM32等單片機作為核心控制器，負責數據處理和控制邏輯；輸入部分包括濁度傳感器、溫度傳感器、RFID射頻模塊，用于采集環境參數和用戶操作；輸出部分包括液晶顯示屏、繼電器、蜂鳴器等模塊，用于顯示信息和執行控制命令。（4）傳感器數據采集：編寫相應的程序，實現對濁度、溫度等參數的實時采集和處理。通過傳感器將環境參數轉換成數字信號，并通過中控部分進行處理和存儲。（5）通信部分分析：系統可以集成WiFi模塊，實現與智能手機或其他智能設備的連接，搭建遠程監控和控制平臺。通過手機App或Web頁面，用戶可以實時監測飲水機的狀態、調節水溫、濁度等參數，遠程控制加熱、加水等操作。設計直觀友好的用戶界面，包括液晶顯示屏上的操作界面和手機App或Web頁面。用戶可以通過界面直觀地了解飲水機的工作狀態和參數，并進行相應的操作和調節。（6）異常情況報警：設計異常情況檢測算法，實現對水質異常、溫度異常等情況的實時監測和報警。當檢測到異常情況時，系統會觸發報警機制，通過蜂鳴器、液晶顯示屏等方式向用戶發出警報，并同時將報警信息發送至遠程監控平臺。（7）系統集成和測試：將各個模塊進行集成，進行整體系統的調試和測試。通過模擬實際使用場景，驗證系統的穩定性、可靠性和性能，確保系統能夠正常工作并滿足用戶需求。綜上所述，校園飲水機監控報警系統的設計思路是基于功能需求分析和硬件選型分析和通信部分分析進行分析，驗證系統具備一定的可行性。2.4實現功能本次設計的校園飲水機監控報警系統主要具有以下功能：（1）實時監測溫度：通過DS18B20溫度采集模塊和加熱棒實現對于飲水機溫度的檢測和控制。（2）水質監測功能：使用濁度傳感器，安裝在水箱內。設定一個濁度閾值，當濁度超過這個閾值時，觸發報警，同時將濁度數據實時上傳到云端，以便進行數據分析和管理。（3）本系統采用RFID讀寫器模塊，集成到飲水機系統中，學生可以通過校園卡實現取水，并從其賬戶中扣除相應的費用。（4）遠程報警功能：當濁度超過閾值或其他異常情況發生時，系統通過無線網絡發送報警信息到云端服務器。（5）設計手機APP，接收并顯示報警信息，確保管理者可以及時收到報警。（6）自動清潔功能：在飲水機系統中設計臭氧消毒系統和水循環系統，設計一個自動清潔模式，當飲水機處于該模式時，啟動臭氧消毒系統和水循環系統，通過紫外照射實現自動清潔，確保飲用水質量。本次設計校園飲水機監控報警系統主要實現了實時監測水質和溫度、RFID模塊、信息顯示、溫度異常報警、遠程監控和控制以及加熱和加水功能等多項實用功能，提升了用戶的使用體驗和便利。2.5相關技術理論分析2.5.1傳感器采集技術本次利用到的傳感器技術是溫度采集和濁度采集，溫度采集和濁度采集是在許多工程和應用中常見的傳感器技術，它們在許多領域中都發揮著重要作用，從工業生產到環境監測都有廣泛的應用。溫度采集傳感器技術：溫度采集是指通過傳感器對環境或物體的溫度進行檢測和記錄的過程。常見的溫度采集傳感器技術原理如利用熱敏電阻來對溫度進行采集，熱敏電阻是一種電阻隨溫度變化而變化的電阻。隨著溫度的升高，其電阻值呈指數變化，通過串聯一個固定阻值的電阻，然后采用ADC采集分壓，就能根據對應的采集值與溫度REF_Ref23587\r\h[14]。熱敏電阻的優點是價格低廉、響應速度快，但在一定溫度范圍內精度較高。還有熱敏電容利用不同材料的熱電效應來測量溫度。它們的優點包括高溫度范圍和良好的線性性能，但精度相對較低。濁度采集傳感器技術：濁度采集是指通過傳感器對濁度的高度進行檢測和記錄的過程。常見的濁度采集傳感器技術包括：浮子式濁度傳感器，浮子式濁度傳感器利用浮子的浮沉來檢測液體的濁度。隨著液體的漲落，浮子的位置改變，傳感器通過檢測浮子的位置來確定濁度REF_Ref23731\r\h[15]。超聲波濁度傳感器：超聲波濁度傳感器通過發射超聲波脈沖并測量其回波時間來確定液體表面到傳感器的距離，從而確定濁度高度。這種傳感器具有非接觸式測量、測量范圍廣等優點。電阻式濁度傳感器：電阻式濁度傳感器利用液位高度與電阻值的相關性來測量濁度。它們通過測量電阻值的變化來確定濁度高度，但需要考慮液體的導電性和環境條件對電極的影響。壓力式濁度傳感器：壓力式濁度傳感器通過測量液體表面施加在傳感器上的壓力來確定濁度高度。傳感器的底部與液體接觸，液體的重力將在傳感器上產生一個壓力，通過測量這個壓力來確定濁度REF_Ref23960\r\h[16]。溫度采集和濁度采集傳感器技術在各種應用中發揮著重要作用，如工業自動化、環境監測、農業灌溉等。它們的不同原理和特點使得用戶可以根據具體應用需求選擇合適的傳感器來實現精確、穩定的溫度和濁度監測。本次主要應用在家用電器的飲水機方面。2.5.2無線通信技術本次使用WIFi實現無線通信，Wi-Fi技術是一種無線局域網技術，允許電子設備之間進行無線互聯和通信。它已成為現代生活和工作中不可或缺的一部分，被廣泛應用于家庭、企業、學校、公共場所等各種場景。Wi-Fi技術原理和工作方式：Wi-Fi技術基于IEEE802.11系列標準，采用了無線電波在2.4GHz和5GHz頻段的通信。它使用了CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/碰撞避免）協議，通過Wi-Fi路由器或接入點（AP）來連接無線設備。Wi-Fi設備包括無線網卡、智能手機、平板電腦、筆記本電腦、智能家居設備等。Wi-Fi通信的工作方式主要包括以下步驟：掃描：Wi-Fi設備掃描周圍的Wi-Fi網絡，尋找可用的接入點。關聯：設備選擇一個接入點，并與其建立連接。DHCP獲取IP地址：設備通過DHCP（動態主機配置協議）獲取IP地址，以便在網絡上進行通信。數據傳輸：設備通過Wi-Fi網絡與其他設備或互聯網進行數據傳輸。Wi-Fi技術的優點：便捷性，Wi-Fi技術消除了使用有線連接時的限制，使設備之間的連接更加便捷和靈活。靈活性：Wi-Fi網絡可以輕松覆蓋大范圍的區域，適用于各種場景，如家庭、辦公室、商場等。高速度：Wi-Fi技術支持高速數據傳輸，滿足了現代人對快速互聯網訪問的需求。兼容性：Wi-Fi設備兼容性廣泛，可以連接各種類型的設備，無論是智能手機、平板電腦還是智能家居設備。Wi-Fi技術的應用：家庭網絡：Wi-Fi技術是家庭網絡的主要組成部分，支持多個設備同時連接互聯網，并實現設備之間的數據共享和媒體播放。企業網絡：Wi-Fi網絡在企業中廣泛應用于辦公室、會議室和生產車間等場所，提高了員工的工作效率和生產效率。公共場所：Wi-Fi網絡覆蓋了商場、餐廳、咖啡館、機場等公共場所，為用戶提供了便捷的上網體驗。物聯網應用：Wi-Fi技術也被廣泛應用于物聯網領域，實現智能家居、智能城市、智能醫療等各種應用場景REF_Ref24090\r\h[17]。隨著技術的不斷發展，Wi-Fi技術的速度也在不斷提高，未來可能會出現更高速的Wi-Fi標準。更廣的覆蓋范圍：Wi-Fi技術正在不斷改進，以覆蓋更廣泛的區域，包括室外、城市和農村地區。隨著物聯網的發展，對低功耗的Wi-Fi技術需求日益增加，未來Wi-Fi技術可能會更加注重功耗優化。Wi-Fi技術作為一種高效、便捷的無線通信技術，將繼續在各個領域發揮重要作用，推動著數字化社會的發展和智能化生活的普及。本次運用WIFI模塊的過程也是學習的過程，為未來投入電子行業打下基礎。2.5.3PID溫度控制技術本次采用PID控制實現對設定溫度的恒溫控制，PID控制是一種常用的閉環控制方法，它通過不斷地調整控制量，使系統的輸出值與期望值盡可能接近，從而實現對系統的穩定控制。PID控制由比例（P）、積分（I）和微分（D）三個部分組成，分別對應控制器的三個調節參數REF_Ref24335\r\h[18]。下面詳細介紹PID控制的工作原理和各個參數的作用：比例（Proportional）控制：比例控制器根據當前誤差的大小，以一定的比例對控制量進行調節。其調節量與誤差成正比，即誤差越大，調節量越大。比例控制主要用于消除穩態誤差，提高系統的靜態性能。積分（Integral）控制：積分控制器根據誤差的累積值對控制量進行調節。它的作用是消除系統的穩態誤差，通過積累誤差，逐漸使系統達到穩定狀態。積分控制主要用于消除穩態誤差和提高系統的動態性能。微分（Derivative）控制：微分控制器根據誤差的變化率對控制量進行調節。它的作用是抑制系統的振蕩和提高系統的響應速度。微分控制器通過檢測誤差的變化率，預測系統未來的趨勢，從而對控制量進行適當的調整。PID控制的工作原理：PID控制器通過不斷地調節比例、積分和微分三個參數，使系統的輸出值盡可能接近期望值。具體工作原理如下：比例部分根據當前誤差大小對控制量進行調節，消除穩態誤差；積分部分根據誤差的累積值對控制量進行調節，消除系統的穩態誤差；微分部分根據誤差的變化率對控制量進行調節，提高系統的響應速度和穩定性。PID控制根據系統的動態特性和控制要求，通過調節比例、積分和微分三個參數來優化系統的控制效果。通常情況下，需要通過試驗和調試來確定合適的PID參數，以滿足系統的控制要求。本次主要實現對溫度的PID自動控制。下面是PID控制在溫度自動控制中的實現步驟：1.設置目標溫度：首先，需要設定系統的目標溫度。這個目標溫度可以是預先設定的固定值，也可以是動態變化的值，根據具體的控制需求來確定。這個我們通過按鍵設置。2.獲取當前溫度：系統通過溫度傳感器實時獲取當前的溫度值。這個值將作為反饋信號，用于和目標溫度進行比較，計算出溫度誤差。3.計算溫度誤差：根據目標溫度和當前溫度的差值，得到溫度誤差。溫度誤差通常定義為目標溫度與當前溫度之差。4.PID計算：PID控制器根據比例、積分和微分三個部分計算出控制量。5.調節控制量：根據PID計算得到的控制量，系統調節繼電器，通過加熱或者制冷實現達到目標溫度。6.實時監測和調整：系統持續地監測溫度變化和控制效果，實時調整PID控制器的參數，以確保系統的穩定性和響應性。通過不斷地調整PID參數，使系統的溫度穩定在目標值附近。通過以上步驟，PID控制器能夠實現對溫度的自動控制。它可以適用于各種溫度控制場景，包括恒溫箱、加熱器、冷卻器等。PID控制器具有調節靈活、控制精度高的優點，因此在工業生產和實驗室等領域得到了廣泛的應用。2.6可行性分析本次設計校園飲水機監控報警系統具有一定的可行性，主要體現在以下幾個方面：技術可行性：采用STM32F103單片機作為核心控制器，結合各種傳感器模塊和通信模塊，構建了系統的硬件平臺。STM32F103單片機具有強大的計算和控制能力，能夠滿足系統對數據采集、處理和控制的需求。同時，各種傳感器模塊和通信模塊的應用也基于成熟的技術，具有可靠性和穩定性。功能可行性：系統涵蓋了濁度檢測、溫度監測、界面交互、信息顯示、遠程控制等多項功能，這些功能是智能飲水機的基本需求，能夠滿足用戶對智能飲水機的實際需求。用戶體驗可行性：通過OLED顯示屏實時顯示信息、獨立按鍵進行界面切換和操作、WIFI模塊實現遠程監控和操作，提高了用戶的使用便捷性和體驗感。用戶可以隨時隨地通過手機等設備監控和控制飲水機，實現了智能化的遠程管理。市場可行性：隨著人們對智能家居的需求不斷增加，智能飲水機作為智能家居的一部分，具有較大的市場潛力。尤其是在一些辦公場所、學校、商場等公共場所，智能飲水機能夠提供更加便捷、安全的飲水服務，具有較高的市場需求。綜上所述，校園飲水機監控報警系統具有較高的技術可行性、功能可行性、用戶體驗可行性和市場可行性，有望成為智能家居領域的一種創新產品，為用戶提供智能化、便捷、安全的飲水解決方案。3硬件設計畢業設計3硬件設計3.1STM32單片機最小系統板本設計采用STMF103單片機為主控芯片，STM32單片機的最小系統通常由四個基本部分組成：主芯片、時鐘電路、復位電路和電源電路。主芯片（MicrocontrollerUnit，MCU）：主芯片是整個系統的核心，通常采用STM32系列的單片機。STM32單片機集成了CPU、存儲器、外設和各種接口，能夠完成各種控制任務。時鐘電路：時鐘電路提供了單片機需要的時鐘信號，以驅動單片機內部的各種時序操作。它包括晶振、晶振負載電容和時鐘源選擇電路等組成部分。在STM32最小系統中，晶振的頻率通常為8MHz或16MHz，提供了單片機運行時的時鐘信號REF_Ref24492\r\h[19]。復位電路：復位電路用于在系統上電或發生異常情況時將單片機復位到初始狀態，保證系統的可靠啟動和運行。它包括復位按鍵、復位電路和復位源選擇電路等部分。電源電路：電源電路為整個系統提供穩定的電源供應。它通常包括穩壓器、電容濾波器和電源選擇開關等組成部分。STM32單片機通常工作在3.3V或5V的電壓下，因此需要通過穩壓器將輸入電壓（如5V）轉換為合適的工作電壓。這些部分共同構成了STM32單片機的最小系統，為單片機的正常運行提供了必要的支持和保障，該芯片是系統的控制核心。在本系統中，STM32F103C8T6單片機的部分引腳被用于連接和控制各個功能模塊。STM32F103c8t6單片機的PA6和PA7引腳接到MOS管控制電路的接口，主要實現出水和加熱的功能。STM32F103C8T6單片機的PA8接口接到DS18B20溫度傳感器的DQ（數字信號）接口，主要實現的是數據通信的功能。STM32F103C8T6單片機的PA15接口接到蜂鳴器的NPN接口，通常用于控制蜂鳴器的開關和發聲。通過PA12控制這個三極管實現系統功能，完成對弈繼電器的控制，間接的控制水泵的開啟。PB0接口作為STM32F103C8T6單片機的一個通用I/O引腳，可以配置為輸入或輸出模式。當配置為輸出模式時，單片機可以通過PB0接口向TDS濁度傳感器發送控制信號或命令；當配置為輸入模式時，單片機可以讀取TDS濁度傳感器通過I/O接口輸出的測量數據或狀態信息。STM32F103c8t6單片機的PB1引腳接到MOS管控制電路的接口，主要實現紫外線消毒的功能。當STM32F103C8T6的PB3接口接到RFID-RC522模塊的RST（復位）接口時，其主要功能是用于控制RFID-RC522模塊的復位操作。STM32F103C8T6單片機的PB4接口接到RFID-RC522模塊的MISO（MasterInSlaveOut，主入從出）接口，主要用于SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信。當STM32F103C8T6單片機的PB5接口接到RFID-RC522的MOSI（MasterOutSlaveIn，主出從入）接口時，PB5接口將作為SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信中的一個輸出引腳。當STM32F103C8T6單片機的PB6接口接到RFID-RC522的SCK（SerialClock，串行時鐘）接口時，PB6接口將用于產生SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信所需的時鐘信號。STM32F103C8T6單片機的PB14接口是一個通用I/O引腳，具有多種功能，包括輸入/輸出、外部中斷等。而OLED顯示屏的SDA接口在I2C通信中作為數據管腳，用于傳輸數據。STM32F103C8T6單片機的PB15接口接到OLED顯示屏的SCL接口，其主要功能是用于時鐘信號傳輸。在I2C總線通信協議中，SCL（SerialClock，串行時鐘）線用于同步數據傳輸的時鐘信號。圖3.1最小系統圖3.2TDS濁度傳感器TDS即總溶解固體，是衡量水體濁度的重要指標。濁度反映了水體中懸浮物的含量，直接影響到水質的清潔衛生程度。TDS傳感器能夠準確檢測出水體的濁度值，在系統中用于檢測校內飲水機內的濁度數值。該傳感器的工作原理是利用紅外線發射和接收電路。紅外發射管發出一束光線穿過被測水體，在另一側的光電二極管接收未被遮擋的光線。發射光和接收光的強度之比，就反映了水體的透光率，可以很好地估測出溶解物的濃度REF_Ref24596\r\h[20]。TDS傳感器具有測量精度高、防護性強、無污染、壽命長等優勢。該系統的TDS傳感器輸出為模擬電壓信號，對應于一定的濃度范圍。通過STM32的ADC將模擬信號轉換為數字量，經過計算處理后，即可獲得水體濁度的準確數值。當濁度超過設定的閾值時，單片機將啟動報警，同時控制臭氧發生器對水體進行消毒處理，確保飲用水的清潔衛生。STMF103c8t6單片機的GND（接地）接口接到TDS濁度傳感器的GND接口，主要功能是為電路提供一個共同的參考電位或基準點。STM32F103C8T6單片機的+5V接口接到TDS濁度傳感器的VCC接口，主要是為TDS濁度傳感器提供所需的工作電壓。在電子電路中，VCC通常表示電源的正極，而GND表示電源的負極或地線。STM32F103C8T6的+5V接口是一個電源輸出引腳，其功能是提供5V的電壓供外部設備使用。當這個接口接到TDS濁度傳感器的VCC接口時，它就是在為TDS濁度傳感器提供穩定的5V工作電壓，以確保傳感器能夠正常工作并進行濁度測量。PB0接口作為STM32F103C8T6單片機的一個通用I/O引腳，可以配置為輸入或輸出模式。當配置為輸出模式時，單片機可以通過PB0接口向TDS濁度傳感器發送控制信號或命令；當配置為輸入模式時，單片機可以讀取TDS濁度傳感器通過I/O接口輸出的測量數據或狀態信息。接口電路圖如圖3.2：圖3.2濁度傳感器接口電路圖3.3溫度傳感器溫度傳感器DS18B20是一種數字式溫度傳感器，通過單總線接口通信，通過一個端口進行輸出，能夠實時測量環境溫度并將其以數字形式輸出。本次采用溫度傳感器對飲水機內系統的溫度進行監測。STM32F103C8T6單片機的+3V3接口接到DS18B20溫度傳感器的VDD接口，主要是為DS18B20溫度傳感器提供工作電壓。在DS18B20溫度傳感器中，VDD是一個外接供電電源輸入端，它接收的電壓范圍通常在3V到5.5V之間。因此，STM32F103C8T6單片機的+3V3接口提供的3.3V電壓是符合DS18B20的工作電壓要求的。這個連接確保了DS18B20溫度傳感器能夠正常工作，并準確地測量溫度。DS18B20溫度傳感器會將測量到的溫度數據通過其DQ（數字信號）引腳傳輸給STM32F103C8T6單片機，然后由單片機進行相應的處理或控制。STM32F103C8T6單片機的PA8接口接到DS18B20溫度傳感器的DQ（數字信號）接口，主要實現的是數據通信的功能。DS18B20溫度傳感器是一種一線式數字溫度傳感器，它只使用一根數據線（DQ）與微處理器進行通信。在STM32F103C8T6單片機與DS18B20連接時，DQ接口通常被連接到STM32F103C8T6的一個GPIO（通用輸入輸出）引腳上。當STM32F103C8T6需要讀取DS18B20測量到的溫度數據時，它會通過PA8接口向DS18B20發送一系列的控制命令。DS18B20在接收到這些命令后，會根據命令的內容執行相應的操作，例如啟動溫度轉換、讀取溫度數據等。然后，DS18B20會將測量到的溫度數據以數字信號的形式通過DQ接口發送回STM32F103C8T6。STM32F103C8T6在接收到這些數據后，會對其進行解析和處理，從而得到當前的溫度值。通過這種方式，STM32F103C8T6可以實時地獲取DS18B20測量到的溫度數據，并根據需要進行相應的控制或顯示等操作。STM32F103C8T6單片機的GND接口接到DS18B20溫度傳感器的GND接口，主要是為了提供統一的參考地電平。接口電路圖如下圖3.3：圖3.3溫度傳感器接口電路圖三個引腳中，VDD和GND用于對系統進行供電，I/O用于進行數據的傳輸。3.4MOS管控制電路MOS管是一種場效應管，具有體積小、功率密度高、響應速度快等優點，非常適合于功率控制和開關控制應用。該系統采用三個MOS管分別控制出水、加熱和紫外線消毒三個主要功能。MOS管作為一種電壓控制型器件，其漏源極之間的開通和關斷完全由柵極電壓決定。當柵極施加一個高電壓時，MOS管處于導通狀態；當柵極電壓為0V時，MOS管截止。由于控制端與功率端是完全隔離的，無需輸入電流，所以MOS管的控制回路功耗極低。該系統單片機的GPIO端口直接驅動MOS管的柵極，通過高低電平控制MOS管導通或截止。當MOS管導通時，就可以使相應的電器設備通電工作，比如出水電磁閥、加熱管、UV燈管等。反之，斷開MOS管就能切斷設備的電源。MOS管的開關便捷可靠。特別需要指出的是,為了滿足各功能部件的功率需求，該系統采用了大功率MOS管，能夠承受幾安培甚至幾十安培的大電流。同時，MOS管還具有耐高壓的優點，在控制脈沖電源和高頻變壓器等容易出現高壓條件的場合也表現良好。MOS管以其控制簡單、承受能力強的優勢，成為了該系統控制功率型負載的理想選擇。與之相比，機械繼電器存在壽命短、抗震性差等缺陷，已經很難滿足現代智能控制的要求。電路圖如下：圖3.4MOS管控制電路圖3.5繼電器控制電路本次使用繼電器實現單片機小信號對外圍大電流器件的控制，通過NPN三極管實現對單片機輸出電流的放大，三極管（晶體管）可以用來控制繼電器，實現對電路的開關控制。三極管具有放大和開關功能，通過在其基極施加控制電壓，可以控制其集電極和發射極之間的電流流動。在三極管的工作中，一般會有三個極端：發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。繼電器是一種電控開關，通過控制小電流輸入來實現對大電流電路的開關控制。繼電器通常由線圈、觸點和機械開關組成，當線圈通電時，產生磁場，使觸點吸合或斷開，從而實現對電路的控制，本系統中通過PA12控制這個三極管實現系統功能，完成對弈繼電器的控制，間接的控制水泵的開啟。三極管控制繼電器原理：在電路中，將三極管的基極連接到控制信號端，集電極連接到繼電器的線圈，發射極連接到地（GND）。當控制信號施加在三極管的基極上時，將導通基極和集電極之間的電流，使得繼電器的線圈通電，產生磁場，吸引觸點閉合或斷開，從而實現對電路的開關控制。通過三極管控制繼電器，可以實現對各種電路的開關控制，接口電路圖如下3.5：圖3.5繼電器控制電路圖3.6顯示電路液晶顯示模塊通過控制液晶分子在電場作用下的排列變化來影響光線的透過，從而實現對監測的溫度濁度值的顯示。液晶是一類介于固態和液態之間的有機化合物，在常溫條件下具有液體的流動性和晶體的光學各向異性。通過在液晶層中施加電場，可以改變液晶分子的排列方向，從而調節透光性，進而實現對像素的控制。在液晶顯示模塊中，STM32控制對應的電平信號輸入，通過改變電場的作用，使液晶分子的排列狀態發生變化，從而控制像素的透明度。具體而言，當電場作用于液晶時，液晶分子會重新排列，使得光線透過時的偏振方向發生改變，從而實現像素的亮度調節。通過控制不同區域的電場強度和方向，可以實現圖像的顯示效果。本模塊通過I2C與單片機進行通信，通過SDA和SCL實現對于OLED的控制，其中VCC和GND用于給系統進行穩定的供電。STM32F103C8T6單片機的PB14接口是一個通用I/O引腳，具有多種功能，包括輸入/輸出、外部中斷等。而OLED顯示屏的SDA接口在I2C通信中作為數據管腳，用于傳輸數據。當STM32F103C8T6單片機的PB14接口接到OLED顯示屏的SDA接口時，其主要功能是實現單片機與OLED顯示屏之間的數據通信。具體來說，單片機可以通過PB14引腳向OLED顯示屏發送數據，以控制OLED顯示屏的顯示內容。同時，由于SDA是數據線，因此它也可以接收來自OLED顯示屏的數據，實現雙向通信。STM32F103C8T6單片機的PB15接口接到OLED顯示屏的SCL接口，其主要功能是用于時鐘信號傳輸。在I2C總線通信協議中，SCL（SerialClock，串行時鐘）線用于同步數據傳輸的時鐘信號。當STM32F103C8T6單片機與OLED顯示屏通過I2C總線進行通信時，PB15接口（作為SCL線）會提供時鐘信號給OLED顯示屏，確保數據在正確的時刻進行傳輸。時鐘信號是I2C通信中的關鍵組成部分，它控制著數據傳輸的速率和同步性。STM32F103C8T6單片機的+5V接口接到OLED顯示屏的VCC接口主要是為OLED顯示屏提供工作電壓。OLED顯示屏的GND接口是為了建立公共的參考電平，即地線連接。這一連接在電路設計中具有至關重要的功能。接口電路如下所示：圖3.6液晶顯示接口電路圖3.7蜂鳴器控制電路本次使用三極管實現對喇叭的控制，三極管可以用來控制電流的流動。在這個電路中，三極管將被用作開關。當三極管處于導通狀態時，它允許電流流過，從而使蜂鳴器發聲。當三極管處于截止狀態時，它阻止電流通過，蜂鳴器停止發聲。通過單片機的PA15引腳實現對于蜂鳴器的控制，控制NPN三極管進行工作，當輸出的電壓為高電平的時侯，系統導通，蜂鳴器開始工作。以此實現對蜂鳴器的控制，STM32F103C8T6單片機的PA15接口接到蜂鳴器的NPN接口，通常用于控制蜂鳴器的開關和發聲。在電路中，NPN三極管通常被用作開關元件來控制蜂鳴器的振動。NPN三極管的集電極連接到蜂鳴器的正極，發射極連接到STM32F103C8T6的PA15引腳（或其他I/O引腳），而基極通過一個限流電阻連接到單片機的另一個I/O口（或固定的電源/地線）。當STM32F103C8T6的PA15引腳輸出高電平時，NPN三極管的基極接收到正向偏置的電壓，從而導通三極管，使蜂鳴器的正極與負極之間形成一個閉合回路。此時，電流通過蜂鳴器，在振動器的作用下產生聲音。反之，當PA15引腳輸出低電平時，NPN三極管截止，蜂鳴器的回路斷開，蜂鳴器處于靜音狀態。在電路設計中，STM32F103C8T6單片機的GND（接地）接口連接到蜂鳴器的NPN三極管接口的功能主要是為電路提供穩定的參考電位，確保電路的正常工作。電路圖如下圖所示：圖3.7蜂鳴器驅動電路圖3.8WIFI通信控制電路本次通過WIFI實現遠程通信，WIFI與單片機之間的通信原理主要基于串行通信協議，例如UART（通用異步收發傳輸）。UART是一種簡單而常用的串行通信協議，它通過傳輸數據的方式實現設備之間的通信。WIFI模塊通過UART接口與單片機進行連接。UART接口包括發送（TX）和接收（RX）兩根線，通過這兩根線實現數據的雙向傳輸。WIFI模塊將需要發送的數據通過UART發送到單片機，而單片機也可以通過UART將需要發送的數據傳輸給WIFI模塊。首先單片機將需要發送的數據通過UART發送到WIFI模塊。首先，單片機將數據發送到UART的發送引腳（TX），然后WIFI模塊接收到數據，并進行相應的處理。WIFI模塊接收到UART發送過來的數據后，會進行解析和處理。根據接收到的數據內容，WIFI模塊可能會執行不同的操作，例如發送數據到遠程服務器、執行相應的控制指令等。某些情況下，WIFI模塊可能需要向單片機發送數據，例如發送傳感器數據或者控制指令。在這種情況下，WIFI模塊將需要發送的數據通過UART發送到單片機的接收引腳（RX），單片機接收到數據后進行相應的處理。單片機接收到UART發送過來的數據后，會進行解析和處理。根據接收到的數據內容，單片機可能會執行相應的操作，例如更新顯示、控制外圍設備等。總的來說，WIFI與單片機之間的通信原理是通過UART串行通信協議實現的，單片機和WIFI模塊之間可以雙向傳輸數據，實現了信息的交互和控制。該模塊通過TXD和RXD實現與單片機實現數據的交互，同時通過EN進行使能，低電平的時侯，系統是有效的，其他的兩個引腳用于供電。當STM32F103C8T6單片機的TX2接口（通常用于串行通信的發送端）接到ESP8266WiFi模塊的RXD接口（數據的接收端）時，它們之間建立了一個串行通信鏈路。這樣的連接使得STM32F103C8T6單片機能夠通過ESP8266模塊發送數據，而ESP8266模塊則能夠接收這些數據。當STM32F103C8T6單片機的TXD（發送數據）接口接到ESP8266Wi-Fi模塊的RX2（接收數據）接口時，它們之間建立了一個串行通信連接。這種連接的主要功能是允許STM32F103C8T6單片機與ESP8266Wi-Fi模塊之間進行數據交換。在STM32F103C8T6單片機與ESP8266Wi-Fi模塊的連接中，將兩者的GND接口連接在一起，可以確保它們之間的信號和電源都有一個共同的參考點，從而避免由于電位差引起的干擾或損壞。功能：EN接口通常用于控制ESP8266Wi-Fi模塊的使能狀態。當EN接口為高電平時，ESP8266模塊通常處于工作狀態；當EN接口為低電平時，ESP8266模塊可能進入低功耗模式或關閉狀態。ESP8266Wi-Fi模塊需要一定的電壓來驅動其內部電路和組件，以實現無線通信和其他功能。通過連接STM32F103C8T6的+5V接口到ESP8266的VCC接口，可以為ESP8266模塊提供穩定的5V電壓，確保其正常工作。接口電路圖如下：圖3.8WIFI通信接口電路圖3.9RC522射頻模塊為了實現自助式的刷卡計費和余額管理等功能，該系統采用了RC522無線射頻識別(RFID)模塊。RFID技術可以對移動物品進行無線自動識別，操作方便，使用成本低。RC522模塊是一款完整的無線射頻讀寫器，內置RF收發器、編解碼電路、天線電路、MCU主機等關鍵模塊，與MCU之間通過SPI總線接口進行高速數據傳輸。RC522采用了13.56MHz的工作頻率，屬于非接觸式近距離通信，感應范圍約10cm。該模塊遵循ISO14443A/MIFARE協議，支持多種非接觸式卡片，如MifareS50/S70、Ultralight、DESFire等。用戶可充值寫入RF卡，手持卡片接近讀卡區域，即可自動識別用戶身份，完成扣費消費。系統管理員可利用RC522模塊，對卡片進行添加、刪除、余額查詢等操作。通過簡單方便的手持式無線操作，即可完成各種后臺管理功能，提高了系統的用戶友好性和管理效率。RC522模塊體積小巧，成本低廉，與單片機配合使用，可輕松實現一套完整的非接觸式射頻識別系統。該RFID模塊的應用，大大提升了本系統的智能化水平和用戶體驗。STM32F103C8T6單片機的+3V3接口接到RFID-RC522的3.3V接口，主要是為RFID-RC522模塊提供工作所需的穩定電源電壓。在RFID（無線射頻識別）系統中，RFID-RC522是一個常用的非接觸式讀寫器模塊，用于與RFID標簽進行通信。為了確保RFID-RC522模塊能夠正常工作，需要提供穩定的工作電壓。STM32F103C8T6單片機的+3V3接口輸出的3.3V電壓是RFID-RC522模塊常用的工作電壓之一。STM32F103C8T6單片機的PB3接口是一個通用I/O引腳，它具有多種功能，包括輸入/輸出、外部中斷、模擬輸入等。當STM32F103C8T6的PB3接口接到RFID-RC522模塊的RST（復位）接口時，其主要功能是用于控制RFID-RC522模塊的復位操作。具體來說，RST是RFID-RC522模塊的一個引腳，用于模塊的復位和斷點輸入。當STM32F103C8T6的PB3引腳向RFID-RC522的RST引腳發送一個低電平信號時，RFID-RC522模塊將進行復位操作，這通常包括關閉振蕩器、輸入引腳和串口外圍接口等。復位操作可以將RFID-RC522模塊的狀態恢復到初始狀態，以便重新進行配置和使用。當STM32F103C8T6單片機的GND（Ground，即地線）接口接到RFID-RC522模塊的GND接口時，這主要是為了確保兩者之間的電路有共同的參考電位。STM32F103C8T6單片機的PB4接口接到RFID-RC522模塊的MISO（MasterInSlaveOut，主入從出）接口，主要用于SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信。在SPI通信中，RFID-RC522模塊作為從設備，而STM32F103C8T6單片機作為主設備。MISO是SPI接口中的一個引腳，用于從設備向主設備發送數據。當RFID-RC522模塊需要從其內部存儲器或其他寄存器中讀取數據并發送給STM32F103C8T6單片機時，它會通過MISO引腳將數據串行地發送給單片機。當STM32F103C8T6單片機的PB5接口接到RFID-RC522的MOSI（MasterOutSlaveIn，主出從入）接口時，PB5接口將作為SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信中的一個輸出引腳。在SPI通信中，MOSI接口用于主設備（即STM32F103C8T6單片機）向從設備（RFID-RC522）發送數據。因此，PB5接口的主要功能是將STM32F103C8T6單片機內部的數據通過MOSI接口傳輸給RFID-RC522模塊。這些數據可能包括控制命令、配置參數或其他需要發送給RFID-RC522模塊的信息。RFID-RC522模塊接收到這些數據后，會根據指令進行相應的操作，如讀取RFID標簽、配置RFID模塊參數等。當STM32F103C8T6單片機的PB6接口接到RFID-RC522的SCK（SerialClock，串行時鐘）接口時，PB6接口將用于產生SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）通信所需的時鐘信號。在SPI通信中，SCK接口用于傳輸時鐘信號，該信號由主設備（STM32F103C8T6單片機）產生并發送給從設備（RFID-RC522）。時鐘信號用于同步主設備和從設備之間的數據傳輸，確保數據在正確的時刻被發送和接收。接口電路圖如下：圖3.9RC522接口電路圖3.10總體電路設計本次設計采用的電路設計軟件是AltiumDesigner，簡稱AD，是一款功能強大的電子設計自動化軟件，廣泛應用于PCB設計、原理圖設計和系統級設計等領域。AltiumDesigner提供了全面的設計工具，包括原理圖設計、PCB布局、仿真、調試、制造準備等，為電子設計提供了全方位的支持。具有直觀的用戶界面，使用戶能夠輕松快速地進行電路設計和布局。用戶可以通過簡單的拖放操作和快捷鍵完成設計任務。同時，內置了豐富的元件庫，包括各種模擬和數字元件、器件、芯片和模型等。用戶可以從庫中選擇所需的元件，并將其添加到設計中進行使用。總的來說，AltiumDesigner是一款功能豐富、易于使用的電子設計軟件，適用于各種規模的電子設計項目，為工程師和設計團隊提供了強大的設計工具和資源，幫助他們快速、高效地完成電路設計任務。本次采用AltiumDesigner完成電路圖和PCB圖的設計，電路整體原理圖設計如下：圖3.10總體電路原理圖在電路設計完成后，將原理圖里面的器件導入PCB設計中，然后進行PCB的設計，對PCB進行合理的布局布線后，設計成PCB圖如下：圖3.11整體PCB設4軟件設計畢業設計4軟件設計4.1主程序流程設計系統主流程如下所示（見圖4-1）。在main.c中,先寫入其他.c的頭文件，接著是定義用到的全局變量和用到的函數，然后就進入到主函數中。在主函數中，先進行初始化，然后按順序循環while中的四個函數：監測函數、顯示函數、處理函數和WIFI接收函數。在監測函數中，則每500毫秒獲取一次渾濁度和水溫，同時上傳數據至云平臺；在顯示函數中，則根據不同顯示界面顯示不同內容，例如：顯示系統名稱、濁度、渾濁度，賬戶金額和消費，以及充值和對卡管理等；在處理函數中，主要對卡進行操作，還對飲水機清潔/消毒/渾濁報警等。最后一個WIFI接收函數，通過WIFI模塊將獲取的數據上傳至云平臺并設置閾值、卡管理和充值等。其部分主程序源碼如下所示：intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM1_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_ADC1_Init();HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); //定時器1中斷使能OLED_Init(); //顯示屏初始化Ds18b20_GPIO_Init(); //溫度傳感器初始化RC522_GPIO_Init();PcdReset();PcdAntennaOff();HAL_Delay(5);PcdAntennaOn();M500PcdConfigISOType('A'); ESP8266_init();while(1){（部分代碼省略）……} }圖4.1程序總體流程圖4.2顯示函數流程設計顯示函數子流程圖如圖4-2所示；根據顯示界面顯示內容；主界面，顯示系統名稱，水溫和渾濁度值；支付界面，顯示賬戶、余額和扣款；充值界面，顯示請刷卡確認充值、金額（顯示是否成功）；添加/刪除卡界面，顯示添加卡號或確認刪除。其部分程序源碼如下所示：chardis_buf[30];voidDisplay_function(void){switch(flag_card) //根據不同的顯示模式標志位，顯示不同{caseMainDisplay:Oled_ShowCHinese(24,0,(uint8_t*)"智能飲水機");Oled_ShowCHinese(0,3,(uint8_t*)"水溫：");OLED_Show_Temp(48,3,temp);Oled_ShowCHinese(0,6,(uint8_t*)"濁度：");sprintf(dis_buf,"%.2f",TDS);Oled_ShowString(48,6,(uint8_t*)dis_buf);break;}（部分代碼省略）…… }}}圖4.2顯示函數子流程圖4.3處理函數流程設計根據圖4-3所示的處理函數子流程，在處理函數中，進行尋卡，進行卡片充值/添加/刪除等。如果自清潔模式打開，則開啟臭氧和紫外線消毒，否則關閉消毒。若渾濁度超標，蜂鳴器報警，否則不報警。若溫度小于溫度最小值，進行加熱，否則關閉加熱。軟件部分程序源碼如下所示：uint8_tFLAG_CLEAN;voidManage_function(void){if(PcdRequest(0x52,Temp)==MI_OK) //尋卡，成功后Temp數組為卡類型{if(PcdAnticoll(UID)==MI_OK) //防沖突，UID數組數據為卡序列號{if(PcdSelect(UID)==MI_OK)//選擇該序列號卡{if(PcdAuthState(0x60,2,(unsignedchar*)DefaultKey,UID)==MI_OK)//校驗卡密碼{if(PcdRead(2,RC522_Buf)==MI_OK) //讀取塊2中當前數據{switch(flag_card){caseMainDisplay:if(RC522_Buf[8]==1||RC522_Buf[8]==2) //數組的第8位是1或2，表示是錄入卡片{ if((RC522_Buf[0]/255+RC522_Buf[1]%255)>1) { flag_water=5000; RC522_Buf[0]-=1/255; RC522_Buf[1]-=1%255; memcpy(RC522_Buf+9,&cnt,6); User_Num=0; PcdWrite(2,RC522_Buf); Display_Jump(Pay); //跳轉到支付界面，5s后自動返回主界面 } else { Succ_Type=Not_Enough; Display_Jump(Succ); }圖4.3處理函數子流程圖4.4溫度采集函數流程設計DS18B20溫度傳感器能夠精確測量環境溫度，并將其以數字信號的形式發送給單片機。其工作流程簡短來說，首先是單片機初始化與DS18B20的通信，隨后發送開始溫度轉換的命令。DS18B20接收到指令后，會立即開始測量環境溫度。測量完畢后，溫度數據被存儲在傳感器內部。接著，單片機發送讀取溫度值的指令，DS18B20則將測量得到的溫度數據通過數據線傳送給單片機。這個傳輸過程需要嚴格遵循通信協議，以確保數據的準確傳輸。單片機獲取溫度數據后，可以根據實際需求進行處理，如顯示、記錄或用于其他控制邏輯。這樣，DS18B20就完成了環境溫度的采集，并將數據有效地傳遞給了單片機。整個過程設計到了DS18B20的復位和相關寄存器關系如圖4.4所示：圖4.4溫度采集函數子流程圖4.5通信函數流程設計單片機需要與WiFi模塊建立連接，這通常通過串口實現。一旦連接成功，單片機就可以通過串口向WiFi模塊發送AT指令，配置網絡連接參數，如SSID和密碼，以連接到WiFi網絡。連接WiFi網絡成功后，單片機可以通過串口向WiFi模塊發送數據，再由WiFi模塊將數據無線發送到網絡上的指定服務器。同樣，當WiFi模塊接收到來自網絡的數據時，也會通過串口將數據轉發給單片機。這樣，單片機就能利用WiFi模塊實現與互聯網的無線通信，從而可以遠程監控、控制設備或傳輸數據。整個通信過程中，單片機需要編寫相應的串口通信程序，以確保數據的正確發送和接收，整個流程圖如圖4.5所示：圖4.5通信函數子流程圖4.6PID溫控流程設計PID溫度控制流程是一個精準調控溫度的過程。流程始于啟動，隨后進行測溫設備的初始化，確保溫度讀數的準確性。接著，設定目標溫度和PID控制參數。之后，啟動PID自整定，以找到最佳的控制參數，優化調控效果。隨后進入控制主循環，通過繼電器調節加熱或冷卻設備的輸出，不斷逼近設定溫度。當測量溫度與設定溫度一致時，系統會停止或降低調控力度，維持當前溫度狀態。若溫度有偏差，系統會持續進行PID計算和調控，直至達到設定溫度。整個過程中，自整定子程序發揮著關鍵作用，它通過不斷學習和調整，使PID控制更加精準有效，從而實現溫度的穩定控制，整個流程圖如圖4.6所示：圖4.6PID溫控流程圖主要部分的程序如下所示：ypedefstruct{floatKp;//比例系數floatKi;//積分系數floatKd;//微分系數floatprevious_error;//上一次的誤差floatintegral;//誤差的積分}PIDController;//PID更新函數floatpid_update(PIDController*pid,floatsetpoint,floatmeasured_value){floaterror=setpoint-measured_value;pid->integral+=error;floatderivative=error-pid->previous_error;pid->previous_error=error;floatoutput=pid->Kp*error+pid->Ki*pid->integral+pid->Kd*derivative;returnoutput;}intmain(){PIDControllerpid={1.0f,0.1f,0.01f,0.0f,0.0f};//初始化PID參數floatsetpoint=25.0f;//設定溫度floatoutput;boolheater_state=false;while(1){floatcurrent_temperature=read_temperature();//讀取當前溫度output=pid_update(&pid,setpoint,current_temperature);//更新PID輸出if(output>0){if(!heater_state){heater_on();//打開加熱器heater_state=true;}}else{if(heater_state){heater_off();//關閉加熱器heater_state=false;}}4.7APP的設計本系統采用阿里云平臺進行APP的設計，通過通信技術實現數據的交互。采用阿里云進行APP設計與開發，可以為開發者帶來多重優勢，阿里云具備出色的彈性擴展與高性能特性。阿里云是一個云平臺，它基于強大的云計算操作系統，為APP提供了強大的后端支持。無論是在用戶量激增或是數據量大幅增加的情況下，阿里云都能輕松應對，確保APP始終能夠穩定、流暢地運行。這種彈性擴展的能力，讓開發者無需擔心APP在面對大流量時的穩定性問題。阿里云擁有遍布全球的云服務網絡。這一網絡確保了無論APP的用戶身處何地，都能獲得低延遲、高可用的服務體驗，阿里云還擁有一個開放與兼容的生態系統。它支持多種開發語言和操作系統，讓開發者可以根據自己的喜好和需求選擇合適的開發環境。同時，阿里云還與其他阿里云產品和第三方服務有著良好的集成性，這使得開發者可以輕松地構建出全面的解決方案，滿足用戶的各種需求。阿里云平臺可以通過注冊賬號和密碼實現登錄。如圖4.6為系統的阿里云平臺。圖4.7阿里云平臺（1）進入阿里云平臺點擊產品，然后通過物聯網的產品界面進入“物聯網生活平臺（飛燕平臺）”，在這個平臺上可以進行設計與開發，在平臺上可以建立自己的項目。該平臺的入口如圖4.7所示：、圖4.8阿里云物聯網平臺（2）建立一個項目下面在云平臺上建立一個項目如下，需要給這個項目命名，同時對于系統的鏈接方式、品類進行設置，這樣才能設置出一個完整的系統項目，建立的系統項目如圖4.8所示：圖4.9阿里云物聯網平臺（3）設置標識名和范圍點開這個系統之后，需要設置參數值，程序通過通信進行數據的傳輸，但是需要設置相同的標識，因此需要設置不同的標識，例如溫度參數，設置標識名為Temp,設置接收數據的類型為單精度浮點型，設置好取值的范圍為0℃-100℃。設置界面如圖4.9如圖所示：圖4.10設置標識和范圍（4）設計APP通過物聯網平臺的直觀開發界面，可以輕松地進行系統APP部分的詳細設計。在這個過程中，需要綜合考慮多個方面，如APP的整體色調和配色方案，這不僅關乎美觀，更影響著用戶的使用體驗。按鍵的形狀也是一個重要的設計元素，它要便于用戶理解和操作，同時也要符合人體工學的原則，確保用戶在使用過程中能夠輕松觸達并點擊。在設計APP的各個功能模塊時，要確保每個模塊都被精確地放置在界面上，這樣既保證了用戶界面的整潔性，也使得用戶可以直觀地找到所需功能。此外，對于數據展示的需求，可以通過細致地設置和調節APP中相關標識的顯示范圍來實現。這樣一來，無論是圖表、數字還是其他形式的數據，都可以清晰、準確地展示在APP上，為用戶提供實時、有價值的信息反饋。整個設計過程不僅需要注重細節，更要有全局觀念，確保APP在視覺上吸引人，在功能上實用、好用，從而為用戶提供一個既美觀又高效的應用體驗。設計如圖4.10所示：圖4.11設計APP界面設計好的APP界面如圖4.11所示：圖4.12設計APP界面5實機效果演示