基于單片機的列車車廂環(huán)境實時監(jiān)測控制系統(tǒng)

毛偉成

摘 要：為了改善旅客列車車廂內的空氣質量，提高旅客乘坐舒適度，文中設計了一款列車車廂內環(huán)境實時監(jiān)測控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過實時檢測車廂內CO2濃度、光照強度、溫濕度，并通過STM32進行數(shù)據(jù)分析和處理后在顯示屏上顯示。當車廂內環(huán)境較差時，會自動通過電氣控制柜調整車載空調的狀態(tài)，改善車廂環(huán)境。

關鍵詞：空氣質量；傳感器；STM32；顯示屏

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

隨著我國經濟的發(fā)展，鐵路旅客運輸量逐年增加。但由于旅客列車運行距離遠、人員密集、環(huán)境相對封閉等特點，導致車廂內空氣流動性差，空氣質量難以保證。對于長時間乘坐的旅客而言，舒適度嚴重下降[1，2]。

當前主要依靠火車司機控制車載空調的開關、溫度等方式改善車廂內空氣質量。但這種依靠經驗進行控制的方法會導致車廂內溫度過高或過低，不僅降低了旅客的出行舒適度，同時也造成了巨大的能源浪費。基于此種現(xiàn)狀，本文設計了一套車廂內溫度實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測車廂內的溫度，自動調節(jié)車載空調的模式，使車廂內的空氣質量維持在合適的狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是首先利用相應的傳感器采集車廂內的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)信號經A/D轉換模塊進行轉換，然后通過單片機STM32分析和處理，最后將傳感器數(shù)據(jù)按照一定的時間間隔在顯示屏上顯示。當檢測到信號滿足預設要求時，控制電氣控制柜打開或關閉車載空調，或者轉換空調模式。系統(tǒng)總體框架如圖1所示[3-5]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器選擇

2.1.1 溫濕度傳感器

AM2302（DHT22）數(shù)字溫濕度模塊具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，因此被廣泛應用在自動控制、測試及檢測設備等相關溫濕度檢測控制中。AM2302包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。

AM2302是一款數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。其與微處理器之間的通信和同步采用單總線數(shù)據(jù)格式，即只用一根數(shù)據(jù)線來完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制。用戶主機發(fā)出一次起始信號后，AM2302從休眠模式轉換到高速模式。待主機開始信號結束后，AM2302發(fā)送響應信號，從數(shù)據(jù)總線串行送出40 bit數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)結束觸發(fā)一次信息采集。采集結束后，傳感器自動轉入休眠模式，等待下一次通信來臨。AM2302傳感器接口電路原理如圖2所示。

2.1.2 光照傳感器

使用光敏電阻作為光照傳感器。光敏電阻的阻值隨入射光線的強弱變化而變化。在黑暗條件下，其阻值可達到1～10MΩ；而在強光照射下，其阻值僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻對光的敏感度與人眼對可見光的響應接近，但凡人眼可以感受到的光都會引起其阻值發(fā)生變化。光照傳感器輸出的量為模擬量，因此需要先將信號接入A/D轉換電路進行模數(shù)轉換。光照傳感器接口電路如圖3所示。

2.2 控制模塊

意法半導體（ST）公司設計的STM32系列MCU，內嵌Cortext-M3內核以及豐富的外設，具有低功耗、低電壓、高性能等優(yōu)點，是目前CM3內核ARM處理器中數(shù)量和影響較大的產品。STM32F103ZET6芯片具有的片上資源包括64 kB SRAM，512 kB FLASH，3個SPI，3個12位ADC，1個12位DAC，8個定時器，1個FSMC接口以及112個通用I/O口等。該芯片能夠滿足多個傳感器信息的接收、處理和控制。STM32F103ZET6芯片實物如圖4所示。

2.3 LCD顯示屏

液晶顯示用于實時顯示采集的溫度、濕度、光照度等車廂內環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)選用TFT-LCD模塊，使用流程如圖5所示。

STM32F103芯片帶有FSMC（靈活的靜態(tài)存儲控制器）接口，能夠與同步或者異步存儲器的16位PC存儲器卡連接，支持SRAM，NAND FLASH，NOR FLASH和PSRAM等[6]。

在系統(tǒng)設計過程中，可將 TFT-LCD當作SRAM來控制。外部SRAM的控制一般包括地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號、讀信號、片選信號，這些信號與控制LCD的信號相似。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主程序包括系統(tǒng)初始化，LCD顯示屏初始化，各采集點數(shù)據(jù)采集、分析和處理[7]。主程序流程如圖6所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集函數(shù)包括各傳感器的啟動、復位和采樣頻率設置函數(shù)，以及采集數(shù)據(jù)的保存和函數(shù)讀取。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖7所示。

3.2 顯示屏子程序

顯示屏程序包括LCD顯示函數(shù)，LCD坐標設置函數(shù)，LCD畫點函數(shù)，LCD讀點函數(shù)，LCD字符顯示函數(shù)。顯示屏程序流程如圖8所示。

4 試驗

將傳感器安放在實驗室的不同位置，進行樣機測試試驗。實驗測試結果如圖9所示。

5 結 語

本文詳細介紹了一種可應用于列車進行車廂環(huán)境檢測與控制的系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的軟硬件做了詳細的闡述。實驗測試結果表明，系統(tǒng)滿足設計要求，能夠對列車車廂內的環(huán)境進行實時檢測與控制，進一步提升了我國鐵路列車服務水平。

參考文獻

[1] 王志全.空調硬座客車車廂內部熱舒適度研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2012.

[2] 張吉光，楊晚生，李華.鐵路高速客車車內空氣品質及改善措施[J].建筑熱能通風空調，2001，20（5）：67-69.

[3] 湯鍇杰，栗燦，王迪，等.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（3）：99-102.

[4] 黃保瑞，賈之豪，邵婷婷.基于AT89C51單片機的溫度測控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（6）：142-143.

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[6] 尤衛(wèi)衛(wèi)，冒建亮，葉樺.基于STM32和CPLD的TFT-LCD顯示控制器設計[J].液晶與顯示，2015，30（3）：444-450.

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[8] 郭佳，陳乾君.基于單片機及PC機的溫度控制系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2013，3（7）：18-20.