STC8G1K08A冬天运动跑步暖手宝

简介

该项目旨在设计并实现一款用于冬季运动时保持温暖的便携式暖手宝。通过STC8G1K08A单片机、PID温控算法以及电池供电，实现了精准的温控与电池管理。本暖手宝通过DS18B20温度传感器实时检测环境温度，并通过PID算法调整加热元件的工作状态，以达到恒定的温度。电池供电部分采用18650锂电池或TYPE-C（电源电流大于3A），确保设备在户外运动时具备良好的续航能力。此项目支持通过串口调试和参数调整，适合进行嵌入式开发和温控技术学习。

项目功能

• PID温控算法：通过PID控制器实现精准的温度调节，确保暖手宝在设定的温度范围内稳定工作。
• 实时温度监测：使用DS18B20温度传感器实时监控加热板的温度。
• 电池管理：利用NCE6050KA管理电池的放电控制。
• PWM加热控制：根据实时温度和PID算法输出脉宽调制（PWM）信号控制加热元件的功率，以实现温度恒定。
• 串口通信：通过串口与主机连接，进行温度调试和实时数据输出，便于用户调整温控参数。
• 电池电量监控：实时监测电池电压，避免因电量不足导致设备关闭。
• 模拟USB ISP烧录：通过软件模拟USB实现单片机的ISP烧录，方便固件更新。

电路设计原理

本项目的电路设计包括多个模块，其中最重要的模块包括：

1. STC8G1K08A单片机：作为主控芯片，负责读取传感器数据，计算PID算法，控制PWM输出以及串口通信。
2. DS18B20温度传感器：用于实时检测暖手宝的温度，传输温度数据给单片机进行分析。
3. NCE6050KA电池管理芯片：负责管理18650锂电池的放电，确保设备稳定运行。
4. 加热元件（铝基板）：采用经过希尔伯特曲线优化设计的铝基板作为加热元件，设计电阻1-2Ω左右，具有良好的热传导性，能够均匀散热，防止局部过热。
5. PWM驱动电路：单片机通过PWM信号调节加热元件的工作状态，以实现精准的温度控制。
6. USB（模拟ISP烧录）：用于固件的烧录和调试，支持通过USB接口直接进行ISP下载。

编写代码

环境设置

• IDE：使用VSCode作为代码编写环境。
• 编译工具：Keil uVision5进行代码编译。
• 调试工具：通过串口调试输出温度、PID调节参数、电池电量等实时信息。

烧录说明

1. 连接硬件：使用USB线连接开发板至计算机。

2. 配置Keil：打开Keil uVision5，选择STC8G1K08A作为目标芯片，并设置正确的编译器。

3. 编译代码：在Keil中编译源代码，确保无错误。

4. 使用ISP下载：

   • 打开VSCode或使用其他ISP烧录工具。
   • 选择目标硬件并配置好通信参数。
   • 通过模拟USB接口烧录程序到STC8G1K08A单片机。

5. 烧录完成后，可以通过串口通信调试设备，查看温度变化和电池状态。

调试与测试方法

串口调试

通过串口输出温度数据、PID调节过程、电池电量等信息，便于开发者进行实时调试。

• 调试工具：串口调试助手（如SecureCRT、PuTTY）。
• 调试输出：通过串口打印当前温度、目标温度、PID输出值、电池电压等信息。

温度测试

1. 静态温控测试：设置不同的目标温度，查看加热元件是否能稳定维持目标温度。
2. 动态温控测试：模拟不同环境温度变化，检查PID算法的响应速度和稳定性。
3. 电池电量监测：通过串口实时监测电池电压，确保设备在电量不足时能够正常提示并关闭。

功能测试

• 温度稳定性测试：通过多次加热和冷却循环，验证温控系统的稳定性和可靠性。

故障排查

• 加热不稳定：检查PID参数，确保温度传感器读取正常，电池电压是否充足，NMOS管阈值电压大小。
• 串口不通信：确认串口波特率和参数设置正确。
• 电池管理问题：检查电池电压是否过低，电流是否正常。