目錄

項目概述

RT-Thread使用情況概述

硬件框架

軟件框架說明

演示效果

改進方向

代碼地址

1 項目概述

本項目是一個簡易的、較高精度的、易于擴展的桌面級溫控系統(tǒng)。實現(xiàn)對箱內(nèi)溫度的精確控制，并通過Wi-Fi接入網(wǎng)絡，配套了功能完善的Web可視化監(jiān)控和調(diào)參Dashboard，實現(xiàn)了完整的物聯(lián)網(wǎng)閉環(huán)。整個項目充分利用了RT-Thread多線程、設備驅(qū)動框架和網(wǎng)絡組件的能力，實現(xiàn)了一個軟硬件結(jié)合的完整解決方案。

硬件平臺：NXP FRDM-MCXA156

RT-Thread版本：5.2.1

核心功能：

整機最大功耗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（最大波動范圍3°C，穩(wěn)態(tài)波動范圍1°C）

多傳感器數(shù)據(jù)融合

OLED本地顯示

Web遠程監(jiān)控與在線調(diào)參

項目亮點：級聯(lián)PID+前饋復合控制算法、三態(tài)控制狀態(tài)機、TCP-WebSocket橋接的Web可視化方案。

2RT-Thread使用情況概述

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

內(nèi)核與調(diào)度器：項目創(chuàng)建了多個線程來處理不同任務，包括主控線程、PID控制線程、OLED刷新線程、網(wǎng)絡服務線程和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)先級任務的實時性。

設備驅(qū)動框架：通過RT-Thread統(tǒng)一的設備模型，輕松地操作了多個硬件外設：

Pin設備：用于控制LED指示燈和加熱/散熱模式切換的繼電器。

ADC設備：用于讀取NTC熱敏電阻的電壓值，進而計算PTC加熱片的實時溫度。

PWM設備：用于精確控制PTC加熱片和散熱風扇的功率輸出。

I2C設備：用于驅(qū)動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，快速實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的TCP服務器，為遠程監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)通道。

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

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)都可以在運行時通過串口動態(tài)調(diào)整。

軟件包生態(tài)：

u8g2：本地UI圖形庫。

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模型計算，用于內(nèi)環(huán)控制和過溫保護。

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PTC陶瓷發(fā)熱片，通過PWM信號調(diào)節(jié)功率。

散熱：12V直流風扇，同樣由PWM信號驅(qū)動。

模式切換：通過一個繼電器切換PWM輸出信號到MOSFET或風扇，實現(xiàn)加熱/散熱模式的自動切換。

人機交互模塊：

本地：SSD1306 OLED顯示屏，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)、當前溫度、目標溫度等關(guān)鍵信息。

遠程：通過Wi-Fi連接，在PC或手機瀏覽器上訪問可視化Dashboard。

硬件連線圖

4 軟件框架說明

軟件的核心是一個基于main.c中的三態(tài)狀態(tài)機和pid_entry線程中的級聯(lián)PID控制算法。

軟件模塊說明

主控與狀態(tài)機 (main.c)

main函數(shù)負責初始化所有設備（傳感器、PWM、ADC、Wi-Fi），并創(chuàng)建各個應用線程。

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

狀態(tài)切換時，會通過STATE_PIN控制繼電器，將PWM信號通路切換到對應的執(zhí)行器（PTC或風扇），并重置PID積分項，防止狀態(tài)突變。

核心控制算法 (pid_entry線程)

這是一個獨立的線程，以更高的頻率(CONTROL_PERIOD_MS)運行，負責核心的溫度控制算法。

級聯(lián)PID+前饋（加熱/保溫模式）:

外環(huán)PID (pid_box): 根據(jù)箱內(nèi)溫度與目標溫度的差值，計算出一個期望的PTC目標溫度 (ptc_target_temp)。這使得PTC的加熱速率能根據(jù)箱內(nèi)離目標的遠近動態(tài)調(diào)整。

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

前饋控制: 建立了一個ptc_target_temp到base_pwm的映射表 (ff_table)。PID的輸出是疊加在這個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積分飽和的風險。

PI控制（散熱模式）:

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

過溫保護: 算法實時監(jiān)測PTC溫度，一旦超過設定的安全閾值(PTC_MAX_SAFE_TEMP)，立即將PWM輸出置零，確保系統(tǒng)安全。

遠程控制服務 (remote.c)

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

服務器接收兩種文本命令：

get_status: 將系統(tǒng)中所有關(guān)鍵的實時變量（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)，實現(xiàn)了對目標溫度、PID增益、前饋表等所有關(guān)鍵參數(shù)的運行時修改。

OLED顯示 (screen.c)

screen_on線程負責驅(qū)動OLED屏幕。

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

5 演示效果

本地OLED顯示

OLED實時顯示系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

遠程Web Dashboard

通過瀏覽器訪問的實時監(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 改進方向

硬件

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

功能

可以允許用戶通過Web界面預設一條隨時間變化的溫度曲線（例如：先60℃保溫30分鐘，再升到70℃保溫1小時），使溫控箱能用于更復雜的場景。

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，所以如果通過實驗測定最優(yōu)參數(shù)的話會非常消耗時間，目前正在嘗試通過建模擬真的方式尋找最優(yōu)參數(shù)，因為期中有點忙，所以還沒做完。

7 代碼地址

本項目已開源，歡迎大家復刻。

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