基于單片機(jī)的集中溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于浩楠 董玉林

摘? 要：為了減少燃煤供暖污染、改善我國空氣質(zhì)量，進(jìn)一步節(jié)約能源，我國許多城市開始推廣“煤改電”這一以電力代替燃煤作為冬季供暖的主要能源，并且有助于提高清潔能源的使用效率。本次設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心CPU，根據(jù)集中溫控管理系統(tǒng)工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，給出目標(biāo)控制系統(tǒng)的硬件組成，根據(jù)溫控管理系統(tǒng)的實(shí)際需要和通訊特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套高效的指令通訊機(jī)制和系統(tǒng)軟件并配有設(shè)計(jì)的手機(jī)APP。測試結(jié)果表明文章設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)各工作模塊性能良好、通訊連接穩(wěn)定，滿足可靠性、擴(kuò)展性和實(shí)用性等工程技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：集中溫控系統(tǒng);STM32F103ZET6;手機(jī)APP

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0077-03

Abstract： In order to reduce the pollution of coal-fired heating， improve the air quality of our country and further save energy， many cities in our country have begun to promote "coal to electricity"， which is the main energy source of replacing coal-fired heating with electric power in winter. It also helps to improve the efficiency of clean energy use. In this design， STM32F103ZET6 single chip microcomputer is used as the core CPU， according to the working characteristics and design objectives of the centralized temperature control management system， the hardware composition of the target control system is given， and according to the actual needs and communication characteristics of the temperature control management system， An efficient instruction communication mechanism and system software are designed and equipped with the designed mobile phone APP. The test results show that the performance of each working module of the control system designed in this paper is good， the communication connection is stable， and meets the engineering technical requirements such as reliability， expansibility and practicability.

Keywords： centralized temperature control system; STM32F103ZET6; mobile phone APP

在許多發(fā)達(dá)國家，集中溫控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地使用在生活中。近些年來隨著煤改電政策的推廣，集中溫控系統(tǒng)才在我國發(fā)展起來的。而隨著煤改電政策的推廣，使用溫控器的場合也越來越多，但是單一的溫控器仍然需要人們?nèi)ζ溥M(jìn)行一對一的控制或設(shè)定操作，使溫控器的使用局限在了小型家用領(lǐng)域，不能滿足大規(guī)模工程應(yīng)用或者醫(yī)院，學(xué)校以及政府機(jī)關(guān)的使用要求。在十二屆全國人大五次會議上李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中強(qiáng)調(diào)出要加解決燃煤污染問題進(jìn)度。全面實(shí)施散煤綜合治理，推動北方地區(qū)冬日清潔取暖，實(shí)現(xiàn)以電代煤、以氣代煤300萬戶以上，全數(shù)淘汰地級以上城市建成區(qū)燃煤小鍋爐。本文以單片機(jī)為控制器，利用WIFI網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)485總線獲取多個溫控器所測的信息，并且控制所有溫控器工作狀態(tài)，也可使用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控?？刂破饕噪娙菔接|摸屏為信息顯示面板，使用者可以在面板上得到各溫控器的狀態(tài)信息，控制其工作方式及工作狀態(tài)，滿足“一器控一樓”的工作要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)、電容觸摸顯示驅(qū)動電路、SD存儲模塊電路、WIFI通信電路、工業(yè)485通信電路、音頻輸出電路、電源轉(zhuǎn)換及保護(hù)電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主控芯片

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，主控制板采用了意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103VET6作為系統(tǒng)的主控制芯片。STM32F103VET6芯片內(nèi)核是Cortex-M3， 采用ARM V7 構(gòu)架，不但支持Thumb-2 指令集，還擁有很多新特性。較之ARM7 TDMI， Cortex-M3擁有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等許多優(yōu)勢。STM32的優(yōu)異性體現(xiàn)在以下幾個方面：超多的外設(shè)、豐富的型號、優(yōu)異的實(shí)時性能、杰出的功耗控制等，因此在Cortex-M3 芯片的選取上， STM32無疑是首選。其芯片實(shí)物如圖2所示。

1.2 工業(yè)SP485通信模塊

SP485是隸屬于ISO體系物理層的電氣規(guī)定為2線，全雙工，多點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)。接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口，當(dāng)以高數(shù)據(jù)速率或長距離進(jìn)行通信時，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸可在大多數(shù)應(yīng)用中提供優(yōu)良的性能。差分信號有助于消除在網(wǎng)絡(luò)中作為共模電壓出現(xiàn)的接地偏移和感應(yīng)噪聲信號的影響。RS-485規(guī)定符合真正多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)要求，并且該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在一條單總線上支持32個驅(qū)動器和32個接收器。正常情況下SP485需要2個匹配電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般為120Ω）。本設(shè)計(jì)電路中又加入了隔離光耦，可以進(jìn)一步降低模擬量的干擾，提高穩(wěn)定性。

1.3 WIFI通信模塊

無線局域網(wǎng)絡(luò)英文全名：Wireless Local Area Networks;簡寫為： WLAN。它是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency： RF）的技術(shù)，使用電磁波，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進(jìn)行通信連接，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取架構(gòu)讓用戶透過它。本設(shè)計(jì)中選用的NRF24L01 WIFI模塊是一款透傳能力強(qiáng)、功耗低、操作簡單的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。NRF24L01 WIFI模塊3D圖如圖3所示。

1.4 顯示驅(qū)動模塊

觸摸方案本設(shè)計(jì)采用的是交互電容屏，又叫做跨越電容屏，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)器，更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵埃或油漬，電容式觸摸屏依然能準(zhǔn)確算出觸摸位置。具有手感好、無需校準(zhǔn)、支持多點(diǎn)觸摸、透光性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)控制程序主要分為兩個部分，主程序部分和定時中斷控制部分。主程序主要完成屏幕顯示，數(shù)據(jù)存儲，WIFI通信，SP485通信和單片機(jī)邏輯控制。本課題中集中溫控系統(tǒng)均采用STM32F103VET6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖4所示。

顯示觸摸屏程序主要包括兩部分，其一是顯示頁面圖片的顯示，其二是觸摸位置的判斷。首先，觸摸位置的判斷利用單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，程序中首先開始一次A/D采樣，后面程序運(yùn)行利用A/D采樣結(jié)束中斷向量跳轉(zhuǎn)，每采樣完畢一次調(diào)用一次中斷處理程序，通過對觸摸屏整體的劃分，對A/D采樣的值進(jìn)行位置判斷。然后啟動下次采樣，這樣程序循環(huán)運(yùn)行完成對觸摸顯示的功能。最后將所需的顯示界面顯示在觸摸屏上。其觸摸控制流程如圖5所示。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要以STM32單片機(jī)為控制核心，采用NRF24L01WIFI模塊使其具有無線通信能力，配有基于ios系統(tǒng)采用swift語言開發(fā)的APP增加其遠(yuǎn)程控制能力，采用的工業(yè)485有線通信方式，其在有線方式下具有更加安全穩(wěn)定的控制能力，配有電容式觸摸顯示屏可以帶來更加舒適的操作體驗(yàn)和視覺感受，配有的原邊反激式開關(guān)電源給系統(tǒng)帶來穩(wěn)定工作的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳華.基于單片機(jī)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)探析[J].電子制作，2017（06）：11-12.

[2]張虎，肖惠云.無線通訊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].自動化博覽，2018，35（11）：124-130.

[3]周潤景.常用傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4]何宏，徐驍駿，張志宏.基于單片機(jī)的工業(yè)無線遙控系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2016，43（05）：513-516.