#第九届立创电赛#3D打印耗材温湿度监测-干燥组件

* 1、项目功能介绍

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想必耗材受潮导致的拉丝一定困扰着每一位3D打印爱好者，热床上的炒面和盘丝洞总能引发人们的沉思。

干燥箱和温湿度计已经成为每一位3D打印爱好者必备的道具。

图1 再也不会笑了.jpg(一堆温湿度计)

传统的干燥剂+密封箱组合的干燥箱只能维持耗材的受潮程度，并不能使耗材表现变好，随着时间的推移耗材依旧会出现质量变差的情况。

使用具有主动干燥（加热）功能的干燥箱能够降低耗材的受潮情况，在一定程度上能够改善打印拉丝、缺陷问题。

某宝上有许多具有主动功能的干燥箱，但每每看到图片下的价格，总会使我沉思，我在想，3D打印爱好者的钱是不是大风刮来的？

虽然与打印机和高质量耗材的价格相比，这样的定价并不算昂贵，但简单的加热元件、控制器及外壳能卖到如此高昂的价格实在让我难以接受。（觉得贵是我的问题，私密马赛）

一番思想斗争后还是认为不能给厂商捐款，决定自己动手。

 

也有部分DIY方案采用果蔬烘干器进行改造，但是220V的供电以及不能原生匹配耗材让我望而却步。

本干燥组件在常用的5L米桶干燥箱基础上进行附加，做小幅度改造以获得温湿度监测+主动干燥的功能。

以下是验证后实物展示：

图2 实物展示图1

图3 实物展示图2

图4 控制模块PCB展示

*2、项目属性

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项目首次公开；项目为原创；项目未曾在其他比赛中获奖；项目未在学校参加过答辩。

 

* 3、开源协议

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CC BY-NC-SA 4.0

 

*4、硬件部分

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• 4.1 基本特性

有效输入电压：10-20V（10V为软件设定欠压保护下限，可更改；20V为PTC元件电气性能限制）

干燥温度范围：0-255℃（由软件设置；回答我，你不会真的加热到255℃，对吧？）

设计最大功率：Type-C输入 - 60W；DC输入 - 80W（可以通过软件设置限制输出功率）

人机交互：0.96 OLED显示、EC11编码器交互

 

• 4.2 系统结构

本组件主要由MCU、电源部分、主动干燥部分、温湿度监测以及人机交互部分构成。

系统结构图如下所示：

图5 系统结构图

 

• 4.3 硬件设计

· MCU采用ESP32-C3-MINI-1-N4模组，自带USB支持JTAG，用过都说好！不是第一次在项目中使用改模组，但每一次在项目中使用总能学习到新的内容。

片上有12位ADC，用于PT1000和输入电压的采样（飘也是真的飘，不校准完全不能用）。

改模组具备WIFI功能，后续可以考虑接入物联网等。

其余功能随后续内容描述。

图6 MCU部分原理图

· 电源部分，输入采用DC插口+Type-C的方案；主供电VBUS直接供给PTC加热器、风扇；主供电经过DC-DC降压获得3.3V电压用于ESP32-C3、OLED等的供电。

DC插口与VBUS间接入肖特基二极管SS54，做防反接、防倒灌；接入TVS，防止输入电压大于20V损坏PTC。Type-C后接CH224K，用于PD诱骗，Rset设置为NC，诱骗20V电压。

DC-DC采用Buck拓扑、使用MP2359芯片控制（杰盛微可白嫖&Pin2Pin芯片很多）。其中，FB电压为0.8V，通过电阻分压得到。

分压电阻使用Matlab编写遗传算法程序，带入电压条件迭代求得，理论误差为0V。

图7 FB电阻计算

但注意输出电压可能不完全等于3.3V，并且后续ADC校准需要视情况更改校准参数。（本项目测试中实际电压为3.345V，由LCSC530+万用表测量得到）

图8 电源部分原理图

· 主动干燥部分由PTC加热控制、风扇控制和PT1000测量组成。

PTC加热控制、风扇控制采用NMOS开关电路实现。风扇电流较小，使用AO3400 NMOS；PTC所需电流较大，但也仅有数A，一般DFN-8(5x6)封装的NMOS都能满足条件。

PT1000测量则是与1k电阻构成分压电路，测量PT1000与1k电阻中间点的电压。（懒了，不想加运放做量程变换，直接软件算吧）

图9 主动干燥部分原理图

· 温湿度监测部分采用盛思锐SHT30温湿度传感器，以I2C总线进行数据交互。

· 人机交互部分由0.96" OLED及其驱动电路、EC11编码器组成。

本项目OLED选型为SH1106 128x64 0.96" 30Pin I2C协议OLED。一般30Pin 0.96" OLED均兼容；EC11编码器柄高随意。

SHT30与OLED使用同一个硬件I2C。

在之前的设计当中，分别使用了两对引脚，计划使用两组I2C总线。但在程序编写过程当中，调用库函数难以实现Wire1的使用（对不起，我的代码水平雀食不行），因此改为同一对引脚、同一个硬件I2C总线。

使用软件I2C进行屏幕的调用延迟较大，会在后续的软件部分说明。

图10 温湿度监测部分&人机交互部分原理图

 

 

*5、软件部分

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• 5.1 软件设计思路

本项目基于Arduino框架开发，开发环境为VSCode PlatformIO。

项目中，将程序设计整体分为以下几个部分：显示（U8g2）、交互输入（Encoder、OneButton）、温湿度传感器（Adafruit_SHT31）、电压采样（analogRead）、风扇及PTC输出控制（analogWrite、PID）。

交互输入通过在主循环中调用库函数实现；显示、数据采样、输出控制则是每隔一定间隔执行一次。

 

• 5.2 软件设计

· 交互输入实现相对简单，分别通过调用Encoder.h、OneButton.h库函数实现。参照以上库提供的例程实现相应的按键和编码器功能。

· 数据采样及输出控制中包含两个部分，分别为 需要严格保持时间间隔恒定执行 和 时间间隔要求宽松两种。

其中，PT1000的温度采样、PTC输出控制是需要严格保持时间间隔恒定执行的部分。这是因为该部分涉及PID控制，详细PID原理在此处不过多解释。而其他的数据采样和风扇控制不需要严格进行控制。

因此，将上述两种类型分别采用不同方法实现。设置一个定时器（项目中时间为200ms），需要严格时间控制的部分放置于定时器内；同时定义一个中断标志，当发生定时器中断时标志变为true，在主循环中由if判断标志并执行时间要求宽松的部分。

· 显示也属于较为宽松的部分，并且其刷新需要占用较长时间，因此同上将其放置在if判断标志后执行。

起初想将所有函数置于定时器中断服务函数中执行，但是这样导致了报错并循环重启（推测定时器再次发生中断时服务函数还未执行完，但在ESP32-S3的开发中没有遇到这样的情况）。因此，将函数分为时间严格、时间宽松两部分分别执行。

 

• 5.3 交互逻辑

交互部分包含OLED的显示和EC11编码器的输入。

· 菜单逻辑

本项目中菜单分为两级，第一级菜单用于显示当前系统的情况（温湿度、输入电压、系统状态）；第二级菜单用于设置主动干燥时的参数（加热温度、加热时间、风扇及PTC的功率限制）。

程序设计中，使用一个bool型变量判断菜单的层级；分别进入两级菜单，print对应的项目并请求对应的数值，使用String()转化为字符串后以“+”连接一次性进行绘制输出。

二级菜单需要对具体的项目进行编辑，多了一个选中状态的选项，因此增加一个unsigned char型变量用于存储选中目标序号，范围为0-3。当目标序号=项目序号时，在该行末端输出一个“*”以作为选中标记。

在二级菜单的程序编写中，使用了结构体，大大简化了编写程序的复杂程度（一级菜单部分凑合用，就懒得改了），在结构体中存储项目名称、单位、数值和调整刻度。

使用for循环配合结构体print即可大大压缩显示使用的程序内容。

程序如下所示：

struct element{
  char* name;
  char* unit;
  unsigned char value;
  unsigned char scale;
};
element Setting_Element[] = {
  {"加热温度: ","℃",60,1},
  {"加热时间: ","min",0,1},
  {"功率限制: ","",32,8},
  {"风扇转速: ","",64,8},
};

菜单显示逻辑如下所示：

图11 菜单显示逻辑

菜单显示效果如下所示：

图12 菜单显示效果

· 输入逻辑

输入主要分为编码器输入和按键输入。编码器通过旋转可以增大或减小数值；按键则通过功能复用分别实现选中、切换效果。

OneButton库提供了多种按键状态，本项目中仅使用按键单击和按键长按两种（由于主循环中显示占用时间较长，导致双击识别较不准确，故舍弃）。

Encoder库可以记录当前编码器的位置，通过将当前位置与上一时刻位置进行比较可以判断数值增减（实际使用中还存在一定抖动）。

输入交互逻辑如下图所示：

图13 输入交互逻辑

 

• 5.4 输出控制

输出控制分为PTC输出和风扇输出两部分。其中，风扇输出简单调用analogWrite即可；PTC输出为了控制输出温度恒定需要采用PID控制。

PID控制采用增量式PID，即在前一时刻控制量基础上调整控制量数值，这样的控制方法代码量比较小（个人感觉）。

PID部分代码如下所示：

// PID
float Kp=0.1, Ti=125, Td=5;
uint16_t P_Term=0, I_Term=0, D_Term=0;

void PidCtrl(){
  // PID项计算
  P_Term = Error_Temperature[0] - Error_Temperature[1];
  I_Term = Error_Temperature[0];
  D_Term = Error_Temperature[0] - 2*Error_Temperature[1] + Error_Temperature[2];

  OUT_Status = OUT_Status + Kp*( P_Term + Ts/Ti*I_Term + Td/Ts*D_Term );
  // 功率限制
  if(OUT_Status > Setting_Element[2].value){
    OUT_Status = Setting_Element[2].value;
  }
  analogWrite(OUT,OUT_Status);
  
  // Serial.println(String(OUT_Status)+"*"+String(Error_Temperature[0]));

  // 温度误差更新
  Error_Temperature[2] = Error_Temperature[1];
  Error_Temperature[1] = Error_Temperature[0];
  Error_Temperature[0] = Setting_Element[0].value - temperature_PT1000;
}

• 5.5 PT1000测量

PT1000用于测量PTC加热器的温度。与SHT30测温不同，箱内温度在加热后需要一定时间才能上升，具有迟滞性且具有局部温度差异的情况。

若依靠SHT30测量值作为PID控制依据，很可能导致PTC过度加热，使得PTC出口附近温度过高、耗材融化。因此需要额外增加一个温度传感器用于测量PTC温度，使温度控制在合理范围。

PT1000在0℃时阻值为1kΩ，随温度上升增大阻值。但其关系并非线性，因此需要对其进行一定处理。

考虑到加热温度多处于40~80℃，因此本项目抛弃40℃以下、80℃以上的测量准确性，采用局部拟合的方式得到温度与采样值之间的关系。

根据PT1000温度计算公式，建立温度与电压的实际曲线，然后截取40-80℃部分使用Matlab cftool进行一阶线性拟合。拟合效果如下图所示：

图14 PT1000拟合效果

其中绿线（局部一阶拟合）是黑线（一阶拟合函数）的部分，在图中重合。

但由于没有能够进行温度校准的工具，因此无法判断拟合的效果。并且由于ESP32-C3的ADC存在偏移，测量结果必然存在一定误差。

 

*6、BOM清单

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• 6.1 装配明细

表1 装配明细

序号	项目	数量	备注
1	6CM风扇	1	厚度不限
2	6x3磁铁	8	安装时注意对吸
3	M4x4x5.5土八螺母	4
4	M4x14内六角螺栓	4
5	M3x3x4.5土八螺母	4
6	M3x12铜柱	1
7	M3x8铜柱	1
8	M3x4平头螺丝	2
9	PT1000	1
10	XH2.54-2P端子线	1
11	四氟管	1	一小段，外径4mm（玩3D打印的大家都有吧？）
12	M3x10螺丝	2	圆头或平头
13	M3x8螺丝	4	沉头最佳
14	铜鼻子	2	孔内径>3mm
15	PTC加热器	1	12V 50W
16	控制器模块	1
17	风嘴	1	打印件，见附件
18	控制器座	1	打印件，见附件
19	控制器盖	1	打印件，见附件

 

图15 模块组成展示

• 6.2 模块装配

图16 装配爆炸图(部分)

安装时，5L米桶需要进行打孔处理，两个为PTC加热器接线柱、一个为四氟管伸出孔、方孔用于伸出XH座子和端子线。如下图所示：

 

图17 打孔标记

 

*7、大赛LOGO验证

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图18 大赛Logo验证

 

* 8、演示您的项目并录制成视频上传

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视频见附件。

 

• 8.1 项目附加说明

在实物验证过程中，发现了部分不合理之处，不推荐直接对该项目进行复刻，建议做一定修改再行复刻。以下是待改进的点：

1.风扇噪声。风扇控制使用analoagWrite，PWM频率较低，在运行时存在较大的噪声，后续尝试改为ESP32的ledc控制。

2.风扇与PT1000连接。当前使用的XH插接位置较差，装配需要镊子辅助，应该将插座留在侧面方便连接；或者增加副板、更换PogoPin实现免插接并降低漏气可能。

3.屏幕刷新率较低。当前使用的是硬件I2C方案，虽然相较于原有的软件I2C有极大的改善，但是刷新时间仍较长，还有很大的改进空间。（在代码是也可以优化，个人软件水平一般，能力有限）

4.温湿度与主动干燥没有联动。当前还没有加入联动，例如设置湿度阈值进行主动干燥。

5.干燥剂放置。原先计划将干燥剂以磁吸方式吸附在风扇另一侧，但实际安装中空间过小，无法放入。

本项目仅抛砖引玉，提供一些设计思路供各位大佬参考。

 

附录

• 附录1 项目程序

#include
#include
#include
#include
#include "Adafruit_SHT31.h"
#define ENCODER_OPTIMIZE_INTERRUPTS 
#include
#include "OneButton.h"

// IO Setting
#define OUT 4
#define FAN 5
#define UIN_IN 0
#define PT1000_IN 1

// Variable Definition
float temperature = 0;              // 箱内温度
float humidity = 0;                 // 箱内湿度
uint16_t UIN = 0;                   // UIN读数
uint16_t PT1000 = 0;                // PT1000读数
float voltage_UIN = 0;              // UIN电压
float temperature_PT1000 = 0;       // PT1000温度
unsigned char OUT_Status = 0;       // PTC输出状态
float Error_Temperature[3] = {0};   // 温度误差队列
const uint16_t Ts = 200;            // 采样、上传、控制周期设置
bool FLAG_timIT0 = 0;               // timer0中断标志
bool System_Status = 0;             // 系统状态 0 - 待机；1 - 加热
bool List_Level = 0;                // 菜单层级 0 - 主页；1 - 设置
bool Choose_Status = 0;             // 选中状态
bool UIN_Error = 0;                 // 输入电压过低标志
unsigned char UIN_threshold = 10;   // 电压阈值
unsigned char Choose_Targrt = 0;    // 选中目标
uint16_t heating_times = 0;         // 加热时间计数器
uint16_t heating_sum_time = 0;      // 加热计数器最大值

struct element{
  char* name;
  char* unit;
  unsigned char value;
  unsigned char scale;
};
element Setting_Element[] = {
  {"加热温度: ","℃",60,1},
  {"加热时间: ","min",0,1},
  {"功率限制: ","",32,8},
  {"风扇转速: ","",64,8},
};

// U8G2
#define SDA 7
#define SCL 6
// U8G2_SH1106_128X64_NONAME_F_SW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* clock=*/ SCL, /* data=*/ SDA, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);
U8G2_SH1106_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);

// SHT30
Adafruit_SHT31 sht31 = Adafruit_SHT31();
#define SHT30_SDA 2
#define SHT30_SCL 3

// Encoder
#define KeyA 20
#define KeyB 21
Encoder Enc(KeyB, KeyA);
long oldPosition=-999;
long newPosition=0;

void EncoderRead(){
  if(Enc.read() != oldPosition) {
    newPosition = Enc.read();
    Serial.println(newPosition);
    if(List_Level){
      if(Choose_Status){
        if(newPosition>oldPosition){
          Setting_Element[Choose_Targrt].value+=Setting_Element[Choose_Targrt].scale;
        }
        else{
          Setting_Element[Choose_Targrt].value-=Setting_Element[Choose_Targrt].scale;
        }
      }
      else{
        if(newPosition>oldPosition){
          Choose_Targrt+=1;
        }
        else{
          Choose_Targrt-=1;
        }
        if(Choose_Targrt>3){
          Choose_Targrt=0;
        }
      }
    }
    oldPosition=newPosition;
  }
}

// OneButton
#define Key1 10
OneButton button(Key1, true);

  // 按键单击
void Click1() {
  Serial.println("click");
  List_Level = !List_Level;
  Choose_Status = 0;
  Serial.println(List_Level);
}
  // 按键长按
void longPressStart() {
  Serial.println("longPressStart");
  if(!List_Level){
    if(1){//voltage_UIN > UIN_threshold){
      System_Status = !System_Status;
      heating_times = 0;
      heating_sum_time = Setting_Element[1].value *300;
    }
    else{
      UIN_Error = 1;
    }
  }
  else{
    Choose_Status = !Choose_Status;
  }
}

// 数据读取
void dataRead() {
  temperature = sht31.readTemperature();
  humidity = sht31.readHumidity();
  UIN = analogRead(UIN_IN);
  voltage_UIN = UIN*0.006046;    // 1/4096*3.3*8.5 取决于ESP32-C3系数需要自行校准
  // PT1000 = analogRead(PT1000_IN);
}

// PID
float Kp=0.1, Ti=125, Td=5;
uint16_t P_Term=0, I_Term=0, D_Term=0;

void PidCtrl(){
  // PID项计算
  P_Term = Error_Temperature[0] - Error_Temperature[1];
  I_Term = Error_Temperature[0];
  D_Term = Error_Temperature[0] - 2*Error_Temperature[1] + Error_Temperature[2];

  OUT_Status = OUT_Status + Kp*( P_Term + Ts/Ti*I_Term + Td/Ts*D_Term );
  // 功率限制
  if(OUT_Status > Setting_Element[2].value){
    OUT_Status = Setting_Element[2].value;
  }
  analogWrite(OUT,OUT_Status);
  
  // Serial.println(String(OUT_Status)+"*"+String(Error_Temperature[0]));

  // 温度误差更新
  Error_Temperature[2] = Error_Temperature[1];
  Error_Temperature[1] = Error_Temperature[0];
  Error_Temperature[0] = Setting_Element[0].value - temperature_PT1000;
}

// 定时器设置
hw_timer_t *timer0 = NULL;       // 定时器0 采样、上传、控制刷新
  // 状态更新
void onTimer0() {
  FLAG_timIT0 = 1;

  PT1000 = analogRead(PT1000_IN) *0.85+52;
  temperature_PT1000 = (PT1000-2070)/3.11;
  // Serial.println(temperature_PT1000);

  heating_times++;
  if(System_Status){
    PidCtrl();

    if(heating_times >= heating_sum_time){
      System_Status = 0;
      heating_times = 0;
      Setting_Element[2].value = 0;
    }
  }
  // Serial.println(PT1000);
  // Serial.println(temperature_PT1000);
  
}

unsigned char ITtimes=0;        // 用于屏幕刷新的计数器

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  // IO Setting
  pinMode(OUT,OUTPUT);
  pinMode(FAN,OUTPUT);
  pinMode(PT1000_IN,INPUT);
  pinMode(UIN_IN,INPUT);

  // Serial
  Serial.begin(115200);

  // SHT30
  Wire.begin(SHT30_SDA,SHT30_SCL);
  if (!sht31.begin(0x44)) {
  while (1) {
    Serial.println("SHT31 sensor not found!");
    }
  }

  // U8G2
  u8g2.begin();
  u8g2.enableUTF8Print();
  u8g2.setFont(u8g2_font_wqy14_t_gb2312a);

  button.reset();//清除一下按钮状态机的状态
  button.attachClick(Click1);
  button.attachLongPressStart(longPressStart);

  // 定时器初始化
  // 定时器0
  timer0 = timerBegin(0,80,true);               // 初始化定时器-使用定时器1
  timerAttachInterrupt(timer0,onTimer0,true);   // 绑定定时器中断服务函数
  timerAlarmWrite(timer0,Ts*1000,true);         // 设置中断 间隔为采样周期
  timerAlarmEnable(timer0);                     // 启动定时器
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  EncoderRead();
  button.tick();

  if(FLAG_timIT0){
    FLAG_timIT0 = 0;

    dataRead();
    if(System_Status){
      analogWrite(FAN,Setting_Element[3].value);
    }
    else{
      analogWrite(FAN,0);
      analogWrite(OUT,0);
    }
    
    ITtimes++;
    if(!List_Level){
      if(ITtimes >= 4){
        ITtimes = 0;

        u8g2.clearBuffer();
        u8g2.setCursor(0, 15);
        u8g2.print("箱内温度: "+String(temperature)+"℃");
        u8g2.setCursor(0, 31);
        u8g2.print("箱内湿度: "+String(humidity)+"%");
        u8g2.setCursor(0, 47);
        u8g2.print("输入电压: "+String(voltage_UIN)+"V");
        u8g2.setCursor(0, 63);
        if(UIN_Error){
          u8g2.print("系统状态: 电压过低");
          u8g2.drawHLine(0, 63, 128);
        }
        else{
          if(System_Status){
            u8g2.print("系统状态: 加热中");
          }
          else{
            u8g2.print("系统状态: 待机");
          }
        }
        u8g2.sendBuffer();
      }
    }
    else{
      if(ITtimes >= 1){
        ITtimes = 0;

        u8g2.clearBuffer();
        for(unsigned char i=0; i<=3; i++){
          u8g2.setCursor(0, (i+1)*16-1);
          u8g2.print(Setting_Element[i].name+String(Setting_Element[i].value)+Setting_Element[i].unit);
          if(Choose_Targrt == i){
            if(Choose_Status){
              u8g2.setCursor(112, (i+1)*16-1);
              u8g2.print("*");
            }
            u8g2.drawHLine(0, (i+1)*16-1, 128);
          }
        }
        u8g2.sendBuffer();
      }
    }
  }
}