基于STM32的無線溫濕度控制器

趙 科 李常賢 張 彤

(大連交通大學(xué) a.電氣信息學(xué)院；b.動車運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

隨著工業(yè)的發(fā)展，對現(xiàn)場溫濕度控制的要求越來越高，傳統(tǒng)的模擬開關(guān)控制已經(jīng)很難滿足生產(chǎn)要求，因此設(shè)計(jì)更加可靠、智能的無線溫濕度控制器將具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。無線溫濕度控制器是一種集溫濕度信號采集、數(shù)據(jù)存儲、無線收發(fā)、控制及通信等功能于一體的新型控制器[1]。對于有害及危險(xiǎn)等人類難以或無法到達(dá)的工作現(xiàn)場，通過設(shè)計(jì)無線溫濕度控制器對生產(chǎn)現(xiàn)場的溫濕度進(jìn)行采集、控制和記錄，可達(dá)到可靠生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的[2]。另外，由于工業(yè)現(xiàn)場空間較大，溫濕度又是非線性、純滯后和大慣性的被控量，因此采用從機(jī)分布控制與主機(jī)集中控制相結(jié)合的方式進(jìn)行現(xiàn)場溫濕度控制，即通過多點(diǎn)從機(jī)進(jìn)行溫濕度采集和控制，采用無線模塊將信息傳送到中心主機(jī)，中心主機(jī)通過無線通信向各從機(jī)傳送給定值和控制參數(shù)，主機(jī)可進(jìn)行監(jiān)控。在此，筆者以STM32控制器為核心，給出其硬件電路和軟件流程。

筆者提出的基于STM32的無線溫濕度控制器總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其硬件電路由高性能的STM32控制器、溫濕度傳感器、固態(tài)繼電器和必要的人機(jī)接口電路構(gòu)成。溫濕度信號采集可以使用集成溫濕度傳感器，也可以使用自行設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器，并進(jìn)行信號調(diào)理，然后由STM32控制器內(nèi)的ADC實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換與采集，之后的溫濕度信號由STM32控制器進(jìn)行線性化處理和溫度補(bǔ)償，通過編程可以采用靈活的控制算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使溫濕度值為系統(tǒng)給定值?？刂破鞯墓r和報(bào)警情況可以通過狀態(tài)指示電路和報(bào)警電路輸出。RS232串口電路用于對控制器進(jìn)行本地化參數(shù)設(shè)置、程序調(diào)試或作為功能擴(kuò)展接口。無線通信電路用于主機(jī)和從機(jī)的雙向無線通信，實(shí)現(xiàn)多個(gè)從機(jī)分布控制和主機(jī)集中控制的結(jié)合，在此筆者僅介紹單個(gè)從機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。

圖1 無線溫濕度控制器總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件部分

2.1 主控模塊

主控模塊的核心是STM32 F103ZET6控制器，該控制器是32位高性能、低成本和低功耗的RISC處理器，內(nèi)核采用CortexTM-M3架構(gòu)，最高工作頻率72MHz，具有512KByte的程序存儲空間、64KByte的SRAM、8個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、3個(gè)SPI、集成5個(gè)USART通信接口、3個(gè)12位ADC及1個(gè)DAC等，硬件資源豐富，非常適合功能擴(kuò)展。使用STM32控制器的PA1和PA4引腳連接傳感器，GPIO與內(nèi)部外設(shè)ADC1復(fù)用，方便擴(kuò)展或互換傳感器。

STM32控制器要求2.0～3.6V的操作電壓，設(shè)計(jì)采用如圖2所示的電源電路為控制器提供3.3V的工作電壓。ZEN056V130A24LS器件具有相對平穩(wěn)的電壓與電流響應(yīng)，有助于對輸出電壓的鉗位，有利于保護(hù)齊納二極管Z1和后續(xù)電子元件。

圖2 電源電路

設(shè)計(jì)的時(shí)鐘和復(fù)位電路如圖3所示，采用外部時(shí)鐘X1為系統(tǒng)提供RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，采用X2為控制器提供系統(tǒng)時(shí)鐘。設(shè)計(jì)了外部復(fù)位電路，可以手動復(fù)位也可以通過看門狗自動復(fù)位。采用STWD100作為外部看門狗電路，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗EMC能力，防止程序“跑飛”，提高系統(tǒng)可靠性。在系統(tǒng)編程或開機(jī)期間，STWD100可防止自動生成復(fù)位信號，使開發(fā)人員可以靈活地控制和管理應(yīng)用。在不占用 CPU 資源的情況下，STWD100硬件看門狗可使系統(tǒng)工作穩(wěn)定度和可靠性提高到100%，非常適用于繼電器及接觸器等具有較強(qiáng)干擾的控制系統(tǒng)中[3]。圖3中WDO為看門狗溢出后的漏極開路輸出端，使用時(shí)須接上拉電阻；EN為低電平有效的使能輸入信號，最低保持時(shí)間1μs；WDI為時(shí)鐘信號輸入端，上升沿定時(shí)器置數(shù)并啟動。

圖3 時(shí)鐘和復(fù)位電路

2.2 溫濕度測量模塊

溫濕度傳感器選用插針型封裝的SHT75，該傳感器采用CMOSen專利技術(shù)，具有較高的可靠性與長期穩(wěn)定性。SHT75溫濕度傳感器將濕敏元件、測溫元件、A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼寄存器及串行接口等電路集成在一個(gè)芯片上，因此具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[4]。SHT75的典型工作電壓為3.3V，平均工作電流28μA；相對濕度范圍0～100%RH，最高分辨率12位，測量精度±1.8%RH；溫度測量范圍-40.0～123.8℃，最高分辨率14位，測量精度±0.3℃，完全滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。SHT75傳感器與STM32控制器接口電路簡單，采用二線串口與控制器進(jìn)行通信，雙向串行數(shù)據(jù)DATA端須接上拉電阻，SCK信號提供串行通信的時(shí)鐘信號，雙向串行數(shù)據(jù)DATA信號僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效，在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，通信時(shí)序可方便地使用STM32控制器的I/O口模擬。SHT75傳感器溫濕度傳輸過程分為啟動傳輸、發(fā)送命令、測量數(shù)據(jù)和休眠。濕度傳輸時(shí)序如圖4所示，相對濕度測量輸出數(shù)據(jù)SORH為00000100 00110001。溫度傳輸時(shí)序類似，溫度測量輸出為SOT，由于篇幅所限，不再詳細(xì)介紹。

圖4 濕度傳輸時(shí)序

2.3 執(zhí)行模塊

該設(shè)計(jì)通過STM32控制器控制交流固態(tài)繼電器SSR的輸入波形，實(shí)現(xiàn)對中低溫電加熱器和加濕器的功率控制，使溫濕度恒定在一定范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)的繼電器相比，固態(tài)繼電器是由固態(tài)電子元器件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、電磁干擾小、工作效率高、使用壽命長及易于控制器編程控制等優(yōu)點(diǎn)[5]。交流固態(tài)繼電器SSR主要由輸入電路、光電耦合電路、觸發(fā)電路、三端雙向可控硅開關(guān)和緩沖電路構(gòu)成。STM32控制器在輸入電路上加上一定的控制信號，就可以控制三端雙向可控硅的通斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路。耦合電路常用光電耦合器，以防止輸出端對輸入端的影響。由于開關(guān)電路易產(chǎn)生射頻干擾，并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，因此在光電耦合器和觸發(fā)電路之間加設(shè)過零控制電路。觸發(fā)電路產(chǎn)生符合要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動負(fù)載電路。緩沖電路一般采用RC吸收電路或壓敏電阻，防止從電源或負(fù)載電路中傳來的尖峰或浪涌脈沖對三端雙向可控硅開關(guān)沖擊和干擾。

2.4 人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊包括狀態(tài)指示電路、報(bào)警電路、無線通信電路和RS232串口電路。

狀態(tài)指示電路通過LED燈指示控制器的工況，包括電源指示、串口收發(fā)指示、無線通信指示、控制器運(yùn)行正常與否指示和信號超限指示。STM32控制器GPIO連接SN74ABT245BPW總線收發(fā)器驅(qū)動LED指示燈。

報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行錯(cuò)誤報(bào)警和溫濕度值超上下限報(bào)警。STM32控制器輸出報(bào)警信號，通過驅(qū)動電路使蜂鳴器報(bào)警，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木o急處理。

無線通信電路采用NRF24L01芯片，該芯片全球開放2.4G的ISM頻段，免許可證使用；最高工作速率2Mbit/s，具有高效的GFSK調(diào)制及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；多達(dá)125個(gè)可選頻道，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要；內(nèi)置CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制；低工作電壓(1.9～3.6V)；可設(shè)置自動應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。該無線通信電路與STM32控制器接口電路簡單，通過SPI接口與STM32控制器通信，配置方便，最大SPI速度可達(dá)18MHz。

RS232串口電路采用帶隔離電源的ADM3251收發(fā)器，同時(shí)對串口收發(fā)進(jìn)行共模保護(hù)處理，使接口電路抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠，適合惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下工作。由于STM32控制器需3.3V供電，為了使用ADM3251內(nèi)部自帶的隔離電源，收發(fā)器必須5.0V供電，因此使用74HCT08與門作為接口電路，實(shí)現(xiàn)STM32控制器與RS232收發(fā)器的電平匹配，電路如圖5所示。該串口電路也方便控制器的功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入或顯示輸出等。

3 軟件部分

無線溫濕度控制器的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、狀態(tài)指示子程序、報(bào)警輸出子程序、RS232數(shù)據(jù)收發(fā)子程序、無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)子程序及控制量算法子程序等，其中主程序流程如圖6所示。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置STM32主控器的GPIO端口、初始化串口USART、溫濕度傳感器和無線模塊，接收遠(yuǎn)程主機(jī)對溫濕度值的給定和對控制算法參數(shù)的設(shè)置，之后進(jìn)入無限循環(huán)，根據(jù)不同功能標(biāo)志位的變化進(jìn)行相應(yīng)模塊的處理。狀態(tài)指示子程序用來驅(qū)動LED燈，顯示控制器的工作狀態(tài)。報(bào)警輸出子程序用于驅(qū)動溫濕度值超出上下限后的蜂鳴器報(bào)警，并及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行。RS232數(shù)據(jù)收發(fā)子程序完成對控制器的數(shù)據(jù)配置和程序調(diào)試功能。無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)子程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)，可以發(fā)送分布的控制器狀態(tài)、溫濕度信號到遠(yuǎn)程控制中心，也可以接收遠(yuǎn)程控制中心對分布控制器的初始值給定及參數(shù)配置等信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

圖5 RS232串口電路

圖6 主程序流程

主控器處理包括對溫濕度信號的計(jì)算與補(bǔ)償。STM32控制器按T=-39.6+0.01×SOT處理SHT75采集的溫度信號SOT，求得溫度值T。

STM32控制器按RH1=-2.0468+0.0367×SORH-1.5955×10-6×SORH2處理SHT75采集的相對濕度信號SORH，求得25℃條件下的相對濕度RH1。

并按RH=(T-25)×(0.01+0.00008×SORH)+RH1進(jìn)行溫度補(bǔ)償，求得相對濕度RH。

控制量輸出采用數(shù)字增量式PID控制算法，即Δu(k)=KP[e(k)-k(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，其中e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KP、KI、KD分別為比例、積分和微分系數(shù)；Δu(k)為控制量的增量。

限于篇幅，下面只介紹無線通信中SPI操作的基本方法。

使能SPI2的時(shí)鐘，設(shè)置SPI2的相關(guān)引腳為復(fù)用輸出，本設(shè)計(jì)使用的是PB13、PB14和PB15(SCK、MISO、MOSI)引腳：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//PORTB時(shí)鐘使能

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE);//SPI2時(shí)鐘使能

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//PB13/14/15復(fù)用推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

初始化SPI2，通過庫函數(shù)SPI_Init設(shè)置SPI2的工作模式和數(shù)據(jù)位數(shù)，設(shè)置SCK時(shí)鐘極性與采樣方式，設(shè)置SPI2的時(shí)鐘頻率，設(shè)置數(shù)據(jù)格式(MSB在前或LSB在前)：

void SPI_Init(SPI_TypeDef*SPIx,SPI_InitTypeDef*SPI_InitStruct)

使能SPI2，初始化完成之后要使能SPI2通信：

SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);//使能SPI外設(shè)

SPI傳輸數(shù)據(jù)需要有發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)函數(shù)，固件庫提供的發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)函數(shù)為：

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);//往SPIx數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)Data

ata(SPI_TypeDef* SPIx);//從SPIx數(shù)據(jù)寄存器讀出接收到的數(shù)據(jù)Data

查看SPI傳輸狀態(tài)，在SPI傳輸過程中，要判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完成：

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE);//判斷發(fā)送區(qū)是否為空

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);//判斷是否接收完成

4 結(jié)束語

經(jīng)測試，基于STM32的無線溫濕度控制器能夠準(zhǔn)確采集和控制溫濕度信號，并通過無線通信準(zhǔn)確地與主機(jī)進(jìn)行雙向通信，工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；另外，STM32主控器硬件資源豐富、功能強(qiáng)大、開發(fā)方便靈活，便于后期進(jìn)行功能擴(kuò)展。該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，通過數(shù)字PID控制能達(dá)到較好的溫濕度控制要求，有較高的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能低耗的要求。

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