高寒地區(qū)無人值守臺站利用STM32 單片機進行觀測環(huán)境溫控的研究

程 可，郭悅立，王 寧

（黑龍江地震局，黑龍江 哈爾濱150090）

引言

黑龍江省處于我國東北地區(qū)的最北端，在一年當(dāng)中冬季占五～八個月之久，在這五～八個月中平均氣溫在零下20℃左右，因此造成我省的許多無人值守站點（全省無人值守站點21個，占全省臺站比例（2/3）。由于氣溫過低地震現(xiàn)場設(shè)備無法運行或者采集數(shù)據(jù)不可靠，供電電瓶不能供電等問題，如果要解決這個問題在現(xiàn)有的條件下只能對現(xiàn)場溫度進行調(diào)節(jié)使其達到各種設(shè)備正常運行的狀態(tài)。有些站點在冬天為了解決無人臺站的供熱問題，采用帶溫度設(shè)定電暖氣對室內(nèi)進行加熱的辦法。但是由于現(xiàn)場電源功率限制以及室內(nèi)空間過大，所以這種辦法在冬季最寒冷的兩個月根本起不到什么作用；另外，由于電暖氣不能實時的調(diào)節(jié)溫度，還容易產(chǎn)生火災(zāi)。

鑒于以上原因我們考慮采用對室內(nèi)設(shè)備單獨加熱的方式來保持設(shè)備正常運行，一般臺站室內(nèi)主要由放置儀器的電控柜、拾震記以及安裝電瓶的電池箱組成，這些東西也是主要保護的對象。我們在站點內(nèi)用一種供電加熱的熱輻射散熱板來實現(xiàn)對站點供熱，散熱板的加熱采用我們開發(fā)的自動溫控系統(tǒng)和遠程網(wǎng)頁來實現(xiàn)。

為實現(xiàn)以上功能黑龍江省地震局監(jiān)測中心研制了一臺針對我省高寒地區(qū)的無人值守站點在冬季設(shè)備保溫加熱的專用自動控制儀器以及開發(fā)遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

主要解決的關(guān)鍵問題：

根據(jù)熱輻射原理采用溫度傳感器LM35 測量室內(nèi)溫度，利用ALIENTEK STM32F103 戰(zhàn)艦開發(fā)板采集、計算處理，然后通過自行設(shè)計的接口板繼電器的通斷輸出來控制散熱板的加熱。

在溫度低于0°C 時，自動進行加溫，高于上限設(shè)定值時，停止加熱，讓設(shè)備始終處于0℃～設(shè)定值的外部環(huán)境中，提高設(shè)備的壽命和采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。解決由于氣溫過低，地震現(xiàn)場設(shè)備無法運行的問題和地震現(xiàn)場設(shè)備采集數(shù)據(jù)不可靠的問題。

1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及外圍接口電路設(shè)計原理

臺站智能控制儀由主板（ALIENTEK 戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板）、電源部分、輸入輸出板、顯示板（前面板）、后面板等部分組成。

本設(shè)計利用STM32F103MCU 的幾個卓越的特性和強大的功能，主要體現(xiàn)為：

STM32 具有便宜的價格優(yōu)勢。以普通單片機機的價格，得到擁有ARM 內(nèi)核的，可移植多任務(wù)32 位機器。

開發(fā)板具有豐富的外設(shè)功能。STM32F103 極高的集成了包括：FSMC 總線、TIMER 定時器、SPI 總線、IIC 總線、CAN 總線、IIS 總線、SDIO 可配置端口、ADC 轉(zhuǎn)換、DAC 轉(zhuǎn)換、內(nèi)置RTC、DMA 等眾多外設(shè)。

處理器提供了優(yōu)異的實時中斷性能。共有84個可編程中斷，16 級的可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為外部中斷輸入。

內(nèi)核設(shè)計杰出的低功耗的控制功能。STM32F103 的總線結(jié)構(gòu)采用的是哈佛體制，各個總線的外設(shè)都有自己的獨立時鐘開關(guān)，可以通過關(guān)閉相應(yīng)外設(shè)的時鐘來降低功耗。

開發(fā)下載程序簡單方便。程序開發(fā)完成后通過MDK編譯器編譯仿真，只需要通過廠家提供的ST-LINK 或者一個串口即可下載編譯通過的代碼，同時支持SWD 和JTAG 兩種調(diào)試口和ST-LINK 連接，只需要占用2個IO口，即可實現(xiàn)仿真調(diào)試。

設(shè)備的核心主開發(fā)板外形尺寸為121mm*160mm 大小，本項目利用了戰(zhàn)艦型開發(fā)板主要資源如下：

（1）中央處理器（CPU）：STM32F103ZET6，外形封裝：LQFP144，閃存（FLASH）為：512K，內(nèi)部SRAM 為：64K。

（2）外部擴展SRAM 的型號為：IS62WV51216，容量1M 字節(jié)。

（3）外圍擴展ROM 為閃存（FLASH）采用SPI 總線，型號為：W25Q128，容量為16M 字節(jié)。

（4）開發(fā)板板載具有1個電源指示燈（藍色），用來指示電源狀態(tài)，2個狀態(tài)指示燈（DS0：紅色，DS1：綠色）供調(diào)試時使用。

（5）板上含有一個EEPROM 芯片，24C02，容量256字節(jié)。

（6） 對外引出一路CAN 總線接口，采用的是TJA1050 芯片。

（7）一個485 總線接口，采用SP3485 芯片。

（8）兩路RS232 串口（一公一母）接口，采用SP3232芯片。

（9）一路數(shù)字量接口，可以支持DS18B20/DHT11 溫度濕度傳感器等。

（10）一個ATK 模塊接口，支持ALIENTEK 藍牙/GPS模塊/MPU6050 模塊等。

（11）包含一個標(biāo)準(zhǔn)的2.4/2.8/3.5 寸LCD 接口（IDC封裝），支持觸摸屏連接。

（12）一個USB 串口，這個竄口可用于程序下載和代碼調(diào)試（USMART 調(diào)試）。

（13）一個USBSLAVE 通訊接口，用于USB 通信。

（14）一個有源蜂鳴器，調(diào)試時使用。

（15）1個RS232/RS485 選擇接口，1個RS232/模塊選擇接口，1個CAN/USB 選擇接口和1個串口選擇接口。當(dāng)根據(jù)實際情況對不同的應(yīng)用作出選擇調(diào)整。

（16）一個SD 卡接口（在板子背面，SDIO 接口），用來存儲網(wǎng)頁和文件。

（17）一個10M/100M 以太網(wǎng)接口（RJ45），接入內(nèi)網(wǎng)實時通過網(wǎng)頁對設(shè)備訪問。

（18）板子上帶用1個標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD 調(diào)試下載口，用來下載程序。

（19）具有多功能端口（DAC、ADC、PWMDAC、AUDIO IN）本設(shè)計中的溫度傳感器LM35 應(yīng)用到其中的AD 轉(zhuǎn)換。

（20）一組5V 和3.3V 電源供應(yīng)/接入口，通過IO 端口和設(shè)備的輸入輸出板相連接。

對于使用開發(fā)板的資源如下：引出IO 端口中的MCU 中STM32F103ZET6 引腳PA0、PA5、PA6 設(shè)置為模擬輸入，用來作為室內(nèi)采溫的三個通道。引腳PC0、PC1、PC2 設(shè)置為推挽輸出，用來驅(qū)動輸入輸出板的三個繼電器。其中一個繼電器控制散熱板交流接觸器的供電通斷，另外兩個繼電器一個控制保溫機柜的加熱膜供電的通斷，另一個備用。加熱板和加熱膜供電互鎖，當(dāng)加熱板出現(xiàn)故障時使用保溫機柜的加熱膜供電。三路溫度傳感器使用溫度傳感器LM35，用來對室內(nèi)采溫，當(dāng)采到的溫度小于等于0℃時PC0 置0 觸發(fā)控制加熱板的繼電器帶動交流接觸器使加熱板供電加熱，又當(dāng)室內(nèi)溫度達到設(shè)定值左右PC0 置1 使加熱板斷電停止加熱。

溫度采集以及控制加熱的外圍電路中信號利用公共端口與開發(fā)板相連其中主要有四路模擬量輸入，三路開關(guān)量輸出，一個共地信號和一個+3.3V。三端穩(wěn)壓電源7805，7809 作為LM35 的電源，輸出信號采用光藕隔離驅(qū)動三極管9013 控制三路繼電器，在通過繼電器觸點來觸發(fā)交流接觸器為加熱板供電。

2 本地的人機交互以及遠程網(wǎng)頁控制

設(shè)備本地設(shè)采用APP 方式進行觸摸屏設(shè)定以及動態(tài)顯示現(xiàn)場溫度和傳感器的通斷狀態(tài)并且具有利用遠程網(wǎng)頁操作功能和本地操作具有同樣作用。系統(tǒng)利用UCOS 多任務(wù)操作系統(tǒng)進行人機交互，交互界面采用APP方式需要偏寫交互程序。

動態(tài)網(wǎng)頁與開發(fā)板通訊利用CGI，和SSI 技術(shù)與網(wǎng)頁提交的表單握手對接。現(xiàn)場顯示、設(shè)置簡單、直觀：顯示屏硬件用彩色4.3 吋屏幕，現(xiàn)場用戶交互界面分別采用三個界面交互顯示，它包括APP 顯示主界面、溫度顯示界面、溫度最大值設(shè)定界面。其中顯示主界面分別其余兩個界面的圖標(biāo)，只要在觸摸屏上觸摸圖標(biāo)就能進入相應(yīng)的子界面。

采用網(wǎng)頁與現(xiàn)場下位機通過LWIP 協(xié)議進行直接通訊，由于意法公司的ARM STM32 系列芯片是32 位機，與控制中心的服務(wù)器通訊流暢，及時，比以往8 位單片機效率高出至少1個數(shù)量級，網(wǎng)頁開發(fā)使用DW 開發(fā)環(huán)境制作了個HTML 網(wǎng)頁，這些網(wǎng)頁的作用分別為：（1）設(shè)備簡介網(wǎng)頁：在這里主要對主機設(shè)備的功能和內(nèi)部組成進行介紹。（2）溫度顯示網(wǎng)頁：在這個頁面里通過表格的內(nèi)容分別顯示內(nèi)部溫度傳感器和三個輸入通道的實時溫度值（每秒刷新一次），還有一個表格顯示加熱板的實際加熱狀態(tài)。（3）遠程控制界面：界面中有個遠程控制選擇按鈕，當(dāng)點擊此按鈕后可以通過網(wǎng)頁進行遠程強制控制設(shè)備中輸出繼電器的通斷，從而使加熱設(shè)備啟停。在通訊方面硬件方面我們采用網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000，此芯片是搭建STM32F103 與外界網(wǎng)絡(luò)的橋梁，同時此芯片也是一款輕型以太網(wǎng)控制器，利用RJ45 端口建立通訊聯(lián)系。同時它是出于高性能低功耗設(shè)計的，并且使用輕型的TCP/IP 協(xié)議棧LwIP。LWIP 完全符合現(xiàn)有的通訊規(guī)范。

用來現(xiàn)場APP 展示的界面有兩個：它們分別為顯示界面和設(shè)定界面，顯示界面用來顯示各個傳感器的實時溫度值和繼電器的加熱狀態(tài)，設(shè)定界面用來設(shè)定采溫三通道的上限溫度值，當(dāng)實際溫度達到設(shè)定的溫度就停止加熱。

顯示界面的第一路通道顯示芯片內(nèi)部溫度值，第二、三、四路用來顯示三個溫度傳感器LM35 實時溫度值。界面的下半部分分別對應(yīng)三個輸出繼電器的加熱狀態(tài)，也使用戶直觀了解輸出的實際狀態(tài)，當(dāng)目前是加熱時使用綠色標(biāo)志并有文字提示和蜂鳴器的聲音，同時加熱停止時自動轉(zhuǎn)換為紅色標(biāo)志蜂鳴器停止。

設(shè)定界面的上半部分用來本地設(shè)定三個通道的上限溫度值，當(dāng)實際溫度大于等于設(shè)定值時輸出繼電器斷開，加熱板停止加熱，每個通道的設(shè)定值通過屏幕的兩個按鍵的觸摸用來增減大小，設(shè)定值實時顯示，界面的下半部分分別顯示采到的溫度值的溫度曲線。

本地的兩個界面可以通過觸動每個界面的返回按鈕，返回主界面。主界面只是用來顯示設(shè)定和顯示界面兩個圖標(biāo)。

3 遠程網(wǎng)頁與開發(fā)板交互的過程

在本產(chǎn)品的開發(fā)板和自行制作的網(wǎng)頁之間通過CGI（公共網(wǎng)關(guān)接口）和SSI（服務(wù)器端嵌入）技術(shù)進行人機交互。其中網(wǎng)頁通過向控制器發(fā)送的表單中CGI 的URL 的數(shù)量為10個它們分別對應(yīng)10個中斷函數(shù)，這些函數(shù)主要用來實現(xiàn)定義遠程強制加熱的開、關(guān)以及通過觸發(fā)網(wǎng)頁上的按鈕控件對設(shè)備繼電器進行遠程控制。SSI 的TAG 數(shù)量為17個，同網(wǎng)頁程序HTML 中注釋的關(guān)鍵字一一對應(yīng)，用來遠程顯示各個通道溫度值以及加熱狀態(tài)等。

網(wǎng)頁可以遠程對設(shè)備進行強制控制加熱板停止加熱，以免當(dāng)發(fā)生緊急情況時及時斷電，遠程網(wǎng)頁真實的顯示現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)。

4 小結(jié)與問題

小結(jié)：為了實現(xiàn)臺站冬季控溫目的所采用的STM32單片機的多任務(wù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)了本地與遠程監(jiān)控和操作控制，并且程序在以太網(wǎng)通訊內(nèi)網(wǎng)運行應(yīng)用中實時可靠運行。經(jīng)過測試溫度在0°C 以下設(shè)備能及時啟動加熱，達到設(shè)定值時能馬上停止加熱能夠使空間溫度達到一個合理的區(qū)間。

問題：（1）由于加熱設(shè)備采用散熱板熱輻射方式加熱，傳感器采到的溫度與室內(nèi)實際達到溫度有延遲，所以溫度的顯示值有一定偏差。雖然偏差值可以通過程序算法認(rèn)為調(diào)整，但是稍微還是有誤差。

（2）現(xiàn)場觸摸屏人機交互界面操作是在使用開發(fā)板出廠的程序架構(gòu)基礎(chǔ)上修改的，因此操作系統(tǒng)在任務(wù)切換時有延時現(xiàn)象，應(yīng)用過程中難免有遲緩現(xiàn)象，但不影響工作。