目錄

項(xiàng)目概述

RT-Thread使用情況概述

硬件框架

軟件框架說明

演示效果

改進(jìn)方向

代碼地址

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目是一個(gè)簡(jiǎn)易的、較高精度的、易于擴(kuò)展的桌面級(jí)溫控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)溫度的精確控制，并通過Wi-Fi接入網(wǎng)絡(luò)，配套了功能完善的Web可視化監(jiān)控和調(diào)參Dashboard，實(shí)現(xiàn)了完整的物聯(lián)網(wǎng)閉環(huán)。整個(gè)項(xiàng)目充分利用了RT-Thread多線程、設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架和網(wǎng)絡(luò)組件的能力，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟硬件結(jié)合的完整解決方案。

硬件平臺(tái)：NXP FRDM-MCXA156

RT-Thread版本：5.2.1

核心功能：

整機(jī)最大功耗24W

溫控范圍常溫~70°C（接入制冷片/更高溫的PTC可以拓展范圍）

較高精度的恒溫控制（最大波動(dòng)范圍3°C，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍1°C）

多傳感器數(shù)據(jù)融合

OLED本地顯示

Web遠(yuǎn)程監(jiān)控與在線調(diào)參

項(xiàng)目亮點(diǎn)：級(jí)聯(lián)PID+前饋復(fù)合控制算法、三態(tài)控制狀態(tài)機(jī)、TCP-WebSocket橋接的Web可視化方案。

2RT-Thread使用情況概述

RT-Thread作為項(xiàng)目的核心操作系統(tǒng)，為功能的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其穩(wěn)定可靠的內(nèi)核、豐富的組件和簡(jiǎn)潔的API，讓整個(gè)開發(fā)過程事半功倍。

內(nèi)核與調(diào)度器：項(xiàng)目創(chuàng)建了多個(gè)線程來處理不同任務(wù)，包括主控線程、PID控制線程、OLED刷新線程、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程和LED指示線程。利用RT-Thread的搶占式調(diào)度器，確保了溫度控制等高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架：通過RT-Thread統(tǒng)一的設(shè)備模型，輕松地操作了多個(gè)硬件外設(shè)：

Pin設(shè)備：用于控制LED指示燈和加熱/散熱模式切換的繼電器。

ADC設(shè)備：用于讀取NTC熱敏電阻的電壓值，進(jìn)而計(jì)算PTC加熱片的實(shí)時(shí)溫度。

PWM設(shè)備：用于精確控制PTC加熱片和散熱風(fēng)扇的功率輸出。

I2C設(shè)備：用于驅(qū)動(dòng)OLED顯示屏（基于u8g2軟件包）和讀取板載P3T1755環(huán)境溫度傳感器。

Sensor框架：用于讀取DHT11、P3T1755傳感器數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：使用了內(nèi)置的lwIP協(xié)議棧和SAL套接字抽象層，快速實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的TCP服務(wù)器，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)通道。

WLAN無線框架：通過rt_wlan_connect接口，便捷地實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接功能。

FinSH/MSH命令行：通過自定義的get_status和tune命令，所有關(guān)鍵參數(shù)都可以在運(yùn)行時(shí)通過串口動(dòng)態(tài)調(diào)整。

軟件包生態(tài)：

u8g2：本地UI圖形庫(kù)。

dhtxx：DHT11溫濕度傳感器軟件包。

p3t1755: 板載I2C溫度傳感器軟件包。

3 硬件框架

系統(tǒng)硬件由核心控制、傳感器、執(zhí)行器和人機(jī)交互四部分組成

核心控制器：NXP FRDM-MCXA156開發(fā)板。

傳感器模塊：

箱內(nèi)溫濕度：DHT11傳感器，通過RT-Thread Sensor框架讀取。

PTC表面溫度：NTC熱敏電阻，通過ADC采樣并使用Steinhart-Hart模型計(jì)算，用于內(nèi)環(huán)控制和過溫保護(hù)。

環(huán)境溫度：開發(fā)板板載的P3T1755 I2C傳感器。

執(zhí)行器模塊：

加熱：LR7843 MOSFET驅(qū)動(dòng)PTC陶瓷發(fā)熱片，通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)功率。

散熱：12V直流風(fēng)扇，同樣由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

模式切換：通過一個(gè)繼電器切換PWM輸出信號(hào)到MOSFET或風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)加熱/散熱模式的自動(dòng)切換。

人機(jī)交互模塊：

本地：SSD1306 OLED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)、當(dāng)前溫度、目標(biāo)溫度等關(guān)鍵信息。

遠(yuǎn)程：通過Wi-Fi連接，在PC或手機(jī)瀏覽器上訪問可視化Dashboard。

硬件連線圖

4 軟件框架說明

軟件的核心是一個(gè)基于main.c中的三態(tài)狀態(tài)機(jī)和pid_entry線程中的級(jí)聯(lián)PID控制算法。

軟件模塊說明

主控與狀態(tài)機(jī) (main.c)

main函數(shù)負(fù)責(zé)初始化所有設(shè)備（傳感器、PWM、ADC、Wi-Fi），并創(chuàng)建各個(gè)應(yīng)用線程。

main函數(shù)內(nèi)的while(1)循環(huán)是系統(tǒng)的主狀態(tài)機(jī)。它周期性地讀取箱內(nèi)溫度，并與目標(biāo)溫度和遲滯范圍(hysteresis_band)比較，自動(dòng)在HEATING（加熱）、WARMING（保溫）、COOLING（散熱）三種狀態(tài)間切換。

狀態(tài)切換時(shí)，會(huì)通過STATE_PIN控制繼電器，將PWM信號(hào)通路切換到對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器（PTC或風(fēng)扇），并重置PID積分項(xiàng)，防止?fàn)顟B(tài)突變。

核心控制算法 (pid_entry線程)

這是一個(gè)獨(dú)立的線程，以更高的頻率(CONTROL_PERIOD_MS)運(yùn)行，負(fù)責(zé)核心的溫度控制算法。

級(jí)聯(lián)PID+前饋（加熱/保溫模式）:

外環(huán)PID (pid_box): 根據(jù)箱內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度的差值，計(jì)算出一個(gè)期望的PTC目標(biāo)溫度 (ptc_target_temp)。這使得PTC的加熱速率能根據(jù)箱內(nèi)離目標(biāo)的遠(yuǎn)近動(dòng)態(tài)調(diào)整。

內(nèi)環(huán)PID (pid_ptc): 根據(jù)PTC實(shí)際溫度與外環(huán)給出的ptc_target_temp的差值，計(jì)算出PWM的調(diào)節(jié)量。這可以快速響應(yīng)PTC自身的溫度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的熱量輸出。

前饋控制: 建立了一個(gè)ptc_target_temp到base_pwm的映射表 (ff_table)。PID的輸出是疊加在這個(gè)PWM基礎(chǔ)值之上的微調(diào)，這大大加快了系統(tǒng)收斂速度，減少了PID積分飽和的風(fēng)險(xiǎn)。

PI控制（散熱模式）:

切換到散熱模式后，算法切換為簡(jiǎn)單的pid_cool PI控制器，根據(jù)箱內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度的差值直接控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

過溫保護(hù): 算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PTC溫度，一旦超過設(shè)定的安全閾值(PTC_MAX_SAFE_TEMP)，立即將PWM輸出置零，確保系統(tǒng)安全。

遠(yuǎn)程控制服務(wù) (remote.c)

在remote_server_thread_entry線程中，創(chuàng)建了一個(gè)TCP服務(wù)器，監(jiān)聽5000端口。

服務(wù)器接收兩種文本命令：

get_status: 將系統(tǒng)中所有關(guān)鍵的實(shí)時(shí)變量（各處溫度、濕度、PID參數(shù)、控制狀態(tài)、PWM占空比等）打包成一個(gè)JSON字符串返回。

tune ...: 將收到的參數(shù)直接傳遞給main.c中的tune()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)溫度、PID增益、前饋表等所有關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)行時(shí)修改。

OLED顯示 (screen.c)

screen_on線程負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)OLED屏幕。

UI界面清晰地展示了當(dāng)前的工作模式（HEATING/COOLING/WARMING）、4個(gè)溫度值（當(dāng)前、目標(biāo)、環(huán)境溫度、PTC當(dāng)前溫度），以及一個(gè)直觀的溫差指示條。

5 演示效果

本地OLED顯示

OLED實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)程Web Dashboard

通過瀏覽器訪問的實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表盤，包含儀表、狀態(tài)指示和在線調(diào)參區(qū)

溫度歷史曲線圖，可以直觀地分析系統(tǒng)的響應(yīng)速度、超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差（K線圖可以得到的信息更多，而且看起來很有趣）

MSH 命令行調(diào)試

通過串口連接，可以直接使用get_status查看系統(tǒng)狀態(tài)，或使用tune命令修改參數(shù)。

6 改進(jìn)方向

硬件

把DHT11換成更好的（比如DHT22），DHT11的精度和響應(yīng)速度都不太行，我手里暫時(shí)沒有其它的溫度傳感器了，所以只能先用這個(gè)。

功能

可以允許用戶通過Web界面預(yù)設(shè)一條隨時(shí)間變化的溫度曲線（例如：先60℃保溫30分鐘，再升到70℃保溫1小時(shí)），使溫控箱能用于更復(fù)雜的場(chǎng)景。

參數(shù)優(yōu)化

目前的參數(shù)還不太好，還有很大的優(yōu)化空間。由于溫度的變化很慢，所以如果通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定最優(yōu)參數(shù)的話會(huì)非常消耗時(shí)間，目前正在嘗試通過建模擬真的方式尋找最優(yōu)參數(shù)，因?yàn)槠谥杏悬c(diǎn)忙，所以還沒做完。

7 代碼地址

本項(xiàng)目已開源，歡迎大家復(fù)刻。

GitHub:https://github.com/Cylopsis/Little-TempControled-Box