基于STM32CubeMX和HAL庫(kù)開發(fā)的溫濕度監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳亮亮，曹江濤

（1.廈門南洋職業(yè)學(xué)院航空機(jī)電學(xué)院，廈門361102；2.北京高偉達(dá)鉭云科技有限公司云運(yùn)營(yíng)服務(wù)部，北京100000）

0 引言

單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)電路已廣泛深入應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，溫濕度檢測(cè)反饋系統(tǒng)在地鐵、冷鏈存儲(chǔ)運(yùn)輸、紡織定型機(jī)、煙葉發(fā)酵、農(nóng)業(yè)、機(jī)房等諸多領(lǐng)域有重要的實(shí)用價(jià)值。以往設(shè)計(jì)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)較多采用51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)具體一種特定應(yīng)用場(chǎng)合，不便于移植，通用性差。溫濕度檢測(cè)反饋系統(tǒng)往大存儲(chǔ)、智能化方向發(fā)展已經(jīng)成為市場(chǎng)主流趨勢(shì)[1]，并且，主流MCU單片機(jī)公司之一的ST意法半導(dǎo)體公司自2014年起，已經(jīng)不再更新固件庫(kù)。結(jié)合可視化、圖形化的CubeMX軟件和HAL庫(kù)，以其抽象和可移植性等諸多優(yōu)勢(shì)，取代固件庫(kù)開發(fā)也是大勢(shì)所趨?；赟TM32和HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)，結(jié)合CubeMX軟件設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)，可以自主調(diào)節(jié)溫濕度上下限值以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合的運(yùn)用，具備功能更強(qiáng)、功耗更低、開發(fā)周期更短等顯著優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)整體規(guī)劃

溫濕度監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)整體規(guī)劃有六個(gè)部分：STM32單片機(jī)、溫濕度采集、顯示電路、閾值設(shè)置、聲光報(bào)警電路、外設(shè)反饋控制電路。系統(tǒng)整體框圖見圖1。

圖1系統(tǒng)整體框圖

1.1 單片機(jī)

主流MCU（單片機(jī)）公司之一意法半導(dǎo)體（ST），推出的產(chǎn)品STM32 MCU融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。本系統(tǒng)正是采用Cortex-M3基礎(chǔ)型MCU主流級(jí)的STM32F103C8T6。該系列有豐富的外設(shè)、低壓、低功耗、高集成度、高性能，同時(shí)價(jià)格適中。工作頻率達(dá)72MHz，集成了512KBFlash和64KBSRAM，具有I2C、SPI、SDIO等接口模塊，并且具有8個(gè)16位的定時(shí)器[2]。軟件實(shí)現(xiàn)部分結(jié)合可視化軟件CubeMX和HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)。高效便捷開發(fā)周期短，可移植性強(qiáng)。

單片機(jī)STM32F103核心電路設(shè)計(jì)方面針對(duì)系統(tǒng)所需，省去非必要環(huán)節(jié)，有效降低成本。核心電路設(shè)計(jì)包含以下內(nèi)容：

（1）電源：采用5V充電器接DC直流電源插座，核心電路使用ASM1117得到單片機(jī)所需的3.3V供電電壓；電源和地之間接電容以提高電源穩(wěn)定性。

（2）時(shí)鐘：?jiǎn)谓油獠?M晶振，省去RTC時(shí)鐘。單片機(jī)引腳數(shù)量少，設(shè)計(jì)上原本接RTC晶振的兩個(gè)引腳PC14（OSC32_IN）和PC15（OSC32_OUT）通過(guò)10K電阻直接接地。硬件設(shè)計(jì)上也可把兩個(gè)引腳重映射到PD0/PD1，設(shè)置推挽輸出0，節(jié)省兩個(gè)電阻。

（3）復(fù)位：采用按鍵連接NRST端口完成復(fù)位電路，并聯(lián)電容以消除抖動(dòng)。

（4）啟動(dòng)：BOOT1接地，BOOT0通過(guò)跳線帽完成高/低電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行和在線調(diào)試的轉(zhuǎn)換。

（5）下載：用最節(jié)省資源的SWD下載方式，實(shí)際接線時(shí)候只接SWIO/SWCLK/GND三條線，僅占用單片機(jī)兩個(gè)引腳。

1.2 溫濕度采集

溫濕度采集選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。精度為濕度+-5%RH，溫度+-2℃，濕度量程20-90%RH，溫度量程0～50℃，可滿足多種場(chǎng)合要求。

硬件上DHT11腳1接5V電源；2腳通過(guò)5K電阻接電源，同時(shí)連接單片機(jī)PA1輸入數(shù)據(jù)；3腳懸空；4腳接地。

1.3 顯示電路

顯示采用微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，抗震性能更好等諸多優(yōu)點(diǎn)的OLED，相比LCD，OLED不需要背光。在數(shù)據(jù)傳輸方面，提供多種對(duì)外接口方式，例如I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，串行SPI（Serial Peripheral Interface）接口，6800、8080并行接口[3]。

七針OLED模塊共有七個(gè)管腳，硬件設(shè)置上1（GND）腳接地、2（VCC）腳節(jié)電源、3（SCLK）時(shí)鐘管腳接PA5、4（SDA）數(shù)據(jù)管腳接PA7、5（REST）低電平復(fù)位接PB1、6（DC）數(shù)據(jù)和命令控制管腳接PB0、7（CS）片選管腳接PA4，采用SPI方式驅(qū)動(dòng)OLED。

1.4 閾值設(shè)置

用四個(gè)按鍵開關(guān)，分別接單片機(jī)PB3/PB4/PB5/PB6引腳，以設(shè)置溫濕度上下限值。

1.5 聲光報(bào)警

用紅色LED和喇叭，當(dāng)前溫度或者濕度超過(guò)設(shè)定的閾值，LED點(diǎn)亮同時(shí)喇叭響起實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

LED陽(yáng)極通過(guò)IK限流電阻接3.3V電源，陰極接單片機(jī)PB10，低電平驅(qū)動(dòng)；蜂鳴器通過(guò)PNP接單片機(jī)PB11，低電平驅(qū)動(dòng)。

1.6 外設(shè)反饋控制電路

單片機(jī)PB12/PB13/PB14/PB15四個(gè)引腳分別通過(guò)三極管8050驅(qū)動(dòng)四路繼電器輸入端，繼電器輸出端分別接排濕、加濕、降溫、升溫設(shè)備。每個(gè)繼電器反并聯(lián)一個(gè)二極管以避免過(guò)高的感應(yīng)電壓損壞三極管，設(shè)計(jì)上繼電器和單片機(jī)不共地。產(chǎn)品在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合可采用不同的控制設(shè)備。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)工作流程和軟件設(shè)計(jì)

2.1 CubeMX設(shè)置流程

（1）默認(rèn)使用STM32F103C8T6的8M內(nèi)部時(shí)鐘源。

（2）開啟ST-Link調(diào)試口（PA13和PA14）

（3）開啟SPI1端口，使用硬件NSS端口，驅(qū)動(dòng)OLED，使用端口PA4、PA5、PA7、PB0、PB1。

（4）開啟外部中斷，接收處理按鍵輸入，使用端口為PB3、PB4、PB5、PB6。

（5）溫濕度模塊接PA1，需動(dòng)態(tài)配置輸入輸出，輸出為喚醒模塊，輸入為讀取模塊數(shù)據(jù)。

（6）聲光報(bào)警端口，PB10/PB11設(shè)置為GPIO_Out-Put模式。

（7）外設(shè)開關(guān)端口，引腳PB12、PB13、PB14、PB15設(shè)置為GPIO_OutPut模式。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)是結(jié)合CubeMX軟件，采用HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)，在Keil uVision5平臺(tái)開發(fā)，方便實(shí)現(xiàn)移植。Keil5支持常見的ARM公司系列產(chǎn)品，最主要的是與STM32系列完美兼容，提供了直接可用的啟動(dòng)文件，直接進(jìn)行C語(yǔ)言編程開發(fā)，適用于多種機(jī)型和多種操作系統(tǒng)[4]?？梢酝ㄟ^(guò)開發(fā)軟件自動(dòng)尋找中斷地址，不需要重新設(shè)置啟動(dòng)文件，不僅方便也有效縮短開發(fā)周期[5]。

程序主要包括溫濕度監(jiān)測(cè)、顯示、閾值上下限設(shè)定、反饋調(diào)節(jié)控制等幾個(gè)模塊。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3系統(tǒng)流程圖

3 仿真測(cè)試

通過(guò)硬件測(cè)試（未接外設(shè)控制設(shè)備），用溫濕度計(jì)記錄數(shù)據(jù)作為參照，分別采用空調(diào)降溫升溫、加濕器加濕等手段來(lái)改變當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前溫度濕度，超過(guò)設(shè)定溫濕度實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警（蜂鳴器響起，LED燈亮），同時(shí)相應(yīng)繼電器開關(guān)動(dòng)作，溫濕度值回到閾值內(nèi)，聲光報(bào)警再度停止工作。響應(yīng)速度快，性能可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)開發(fā)的溫濕度檢測(cè)反饋系統(tǒng)是使用單片機(jī)STM32F103C8T6結(jié)合CubeMX軟件和HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)運(yùn)行程序開發(fā)，完成聲光報(bào)警和反饋控制。硬件電路設(shè)計(jì)成本低，功能完善，通用性好，適用于多種環(huán)境的需求、長(zhǎng)時(shí)間工作、無(wú)人值守的場(chǎng)合。