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。實現對箱內溫度的精確控制，并通過Wi-Fi接入網絡，配套了功能完善的Web可視化監控和調參Dashboard，實現了完整的物聯網閉環。整個項目充分利用了RT-Thread多線程、設備驅動框架和網絡組件的能力，實現了一個軟硬件結合的完整解決方案。

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，穩態波動范圍1°C）

多傳感器數據融合

OLED本地顯示

Web遠程監控與在線調參

項目亮點：級聯PID+前饋復合控制算法、三態控制狀態機、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，為功能的實現提供了堅實的基礎。其穩定可靠的內核、豐富的組件和簡潔的API，讓整個開發過程事半功倍。

內核與調度器：項目創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、網絡服務線程和LED指示線程。利用RT-Thread的搶占式調度器，確保了溫度控制等高優先級任務的實時性。

設備驅動框架：通過RT-Thread統一的設備模型，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：用于驅動OLED顯示屏（基于u8g2軟件包）和讀取板載P3T1755環境溫度傳感器。

Sensor框架：用于讀取DHT11、P3T1755傳感器數據。

網絡協議棧：使用了內置的lwIP協議棧和SAL套接字抽象層，快速實現了穩定可靠的TCP服務器，為遠程監控提供了數據通道。

WLAN無線框架：通過rt_wlan_connect接口，便捷地實現了Wi-Fi網絡連接功能。

FinSH/MSH命令行：通過自定義的get_status和tune命令，所有關鍵參數都可以在運行時通過串口動態調整。

軟件包生態：

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

系統硬件由核心控制、傳感器、執行器和人機交互四部分組成

核心控制器：NXP FRDM-MCXA156開發板。

傳感器模塊：

箱內溫濕度：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，用于內環控制和過溫保護。

環境溫度：開發板板載的P3T1755 I2C傳感器。

執行器模塊：

加熱：LR7843 MOSFET驅動PTC陶瓷發熱片，通過PWM信號調節功率。

散熱：12V直流風扇，同樣由PWM信號驅動。

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，實時顯示系統狀態、當前溫度、目標溫度等關鍵信息。

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中的三態狀態機和pid_entry線程中的級聯PID控制算法。

軟件模塊說明

主控與狀態機 (main.c)

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

main函數內的while(1)循環是系統的主狀態機。它周期性地讀取箱內溫度，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）三種狀態間切換。

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

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PID+前饋（加熱/保溫模式）:

外環PID (pid_box): 根據箱內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的加熱速率能根據箱內離目標的遠近動態調整。

內環PID (pid_ptc): 根據PTC實際溫度與外環給出的ptc_target_temp的差值，計算出PWM的調節量。這可以快速響應PTC自身的溫度波動，實現更穩定的熱量輸出。

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基礎值之上的微調，這大大加快了系統收斂速度，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，根據箱內溫度與目標溫度的差值直接控制風扇的轉速。

過溫保護: 算法實時監測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，確保系統安全。

遠程控制服務 (remote.c)

在remote_server_thread_entry線程中，創建了一個TCP服務器，監聽5000端口。

服務器接收兩種文本命令：

get_status: 將系統中所有關鍵的實時變量（各處溫度、濕度、PID參數、控制狀態、PWM占空比等）打包成一個JSON字符串返回。

tune ...: 將收到的參數直接傳遞給main.c中的tune()函數，實現了對目標溫度、PID增益、前饋表等所有關鍵參數的運行時修改。

OLED顯示 (screen.c)

screen_on線程負責驅動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實時顯示系統關鍵數據

遠程Web Dashboard

通過瀏覽器訪問的實時監控儀表盤，包含儀表、狀態指示和在線調參區

溫度歷史曲線圖，可以直觀地分析系統的響應速度、超調和穩態誤差（K線圖可以得到的信息更多，而且看起來很有趣）

MSH 命令行調試

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

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。

參數優化

目前的參數還不太好，還有很大的優化空間。由于溫度的變化很慢，所以如果通過實驗測定最優參數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參數，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