基于嵌入式開發(fā)板的大棚控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉克凡

(渭南師范學(xué)院，陜西 渭南 714099)

0 引言

溫度作為基本的環(huán)境參數(shù),在人們的生活、工作中有著重要的作用,而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是蔬菜大棚的使用中,更是需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)而精密的檢測(cè)控制。由于傳統(tǒng)的溫度計(jì)精度不高,也欠缺其它的控制功能。而開發(fā)板的集成度高,擁有多種功能,同時(shí)兼顧了能耗較低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

因此文章將以開發(fā)板為藍(lán)本,DS18B20測(cè)溫單元為基礎(chǔ)來(lái)完成溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用放風(fēng)機(jī)等元件實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)部溫度的控制。同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，用以記錄大棚所在的溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)于大棚內(nèi)溫度的精準(zhǔn)控制。

1 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)框圖如圖1所示，測(cè)溫系統(tǒng)采用DS18B20測(cè)溫單元,由于開發(fā)板上沒有DS18B20,將DS18B20接上后開發(fā)板需要先檢測(cè)其是否成功接入。系統(tǒng)通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示溫度情況與測(cè)溫操作，使用按鍵來(lái)切換溫度設(shè)定與當(dāng)前溫度的顯示。另有一報(bào)警系統(tǒng)，若大棚內(nèi)的當(dāng)前溫度連續(xù)三次掉至溫度設(shè)定外時(shí),將通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警并緊急關(guān)閉設(shè)備。

圖1 溫控系統(tǒng)框圖

開發(fā)板會(huì)將最低/最高溫度記錄在存儲(chǔ)器中，以便使用PC來(lái)查看溫度情況。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)開發(fā)板輸出的信號(hào)來(lái)控制溫度調(diào)節(jié)模塊的運(yùn)作以達(dá)到控溫的目的。

1.1 開發(fā)板模塊

STM32開發(fā)板塊中選擇了一個(gè)STM32F103ZETT6作為MCU,擁有64 kbs RAM、512 kb FLASH、兩個(gè)數(shù)字定時(shí)器、四個(gè)普遍廣泛使用的數(shù)字定時(shí)器、兩個(gè)高級(jí)別的定時(shí)器、兩個(gè)新的DMA數(shù)字控制器、三個(gè)12位數(shù)的ADC、一個(gè)12位U的DAC、一個(gè)新的SDIO數(shù)字接口、一個(gè)新的FSMC數(shù)字接口,三個(gè)FSSPI,兩個(gè)SDIIC,五個(gè)數(shù)字串口,一個(gè)FSUSB,一個(gè)FSCA與112個(gè)U的普通I/O口[1]。

開發(fā)板在系統(tǒng)中作為信息的接收與儲(chǔ)存端，可將測(cè)得的溫度信息放入存儲(chǔ)器中，是最為核心的設(shè)計(jì)模塊。

1.2 測(cè)溫模塊

DS18B20測(cè)溫管理單元系統(tǒng)采用了高頻晶振轉(zhuǎn)換方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量輸入溫度的作業(yè),無(wú)論溫度高低，晶振的振蕩頻率不會(huì)隨輸入溫度發(fā)生變化[2]。DS18B20電路圖如圖2所示。

圖2 DS18B20電路圖

圖3為DS18B20測(cè)溫單元系統(tǒng)圖，將高溫度頻率系數(shù)晶振輸入振蕩時(shí)的頻率輸入一個(gè)溫度減法測(cè)量計(jì)數(shù)器a,另外還有一低于高溫度頻率系數(shù)晶振的振蕩頻率與其輸入振蕩時(shí)的頻率相同，其輸入的一個(gè)溫度減法測(cè)量計(jì)數(shù)器b。當(dāng)b值歸零時(shí)測(cè)量溫度。測(cè)量時(shí)，計(jì)數(shù)器a對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器a的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器a的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器a重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器b計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

圖3 DS18B20系統(tǒng)圖

此外,斜向功率補(bǔ)償累加器還設(shè)計(jì)了可以用來(lái)同時(shí)補(bǔ)償其在測(cè)溫處理過(guò)程中的斜率補(bǔ)償和溫度糾偏以及同時(shí)修正測(cè)溫處理過(guò)程中可能存在的非線性測(cè)溫誤差。此裝置的檢測(cè)精度為0.1 ℃,測(cè)溫范圍為-55 ℃～125 ℃。

表1為DS18B20測(cè)溫格式表，DS18B20接收主機(jī)傳來(lái)的開始溫度自動(dòng)變化控制命令后系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換器的工作全部完成后,溫度額定值就以16位作為帶符號(hào)的可擴(kuò)展的第二進(jìn)制進(jìn)位補(bǔ)碼的形式被分別存儲(chǔ)在高速數(shù)據(jù)暫存器和存儲(chǔ)器的第1,2個(gè)進(jìn)位字節(jié)。系統(tǒng)可同時(shí)通過(guò)一個(gè)平臺(tái)單線或多個(gè)數(shù)據(jù)接口直觀地直接讀取該平臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有數(shù)據(jù),讀取時(shí)間以低位為前,高位為后,數(shù)據(jù)的輸出格式以0.062+5+℃/lsb的數(shù)據(jù)形式輸出來(lái)直觀顯示。

表1 DS18B20溫度值格式表

高五位用做定義溫度前符號(hào)位,分辨率0.0625。正溫度把16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)成10進(jìn)制即可;負(fù)溫度把16進(jìn)制數(shù)取反后加1再轉(zhuǎn)成10進(jìn)制數(shù),例如00FA是(15*16+10)*0.0625=15.62 ℃,第二個(gè)是0032是(3*16+2)*0.0625=3.125 ℃(負(fù)的)。

測(cè)溫模塊是溫度數(shù)據(jù)輸入開發(fā)板的端口，也是測(cè)量溫度的基本模塊。

1.3 LCD模塊

本開發(fā)板采用 TFTLCD的通用模塊接口,支持2.4寸、3.8寸等尺寸的TFTLCD模塊。

圖4為L(zhǎng)CD電路圖，LCD液晶與開發(fā)板直接相連，通過(guò)開發(fā)板內(nèi)部的LCD控制器來(lái)控制LCD的動(dòng)作，LCD接收到控制器發(fā)出的幀同步信號(hào)等信號(hào)后便會(huì)開始動(dòng)作。由于LCD接口與 fsmc 總線相連,可大幅增加 LCD 的刷屏速率，因此能支持高速度的幀率顯示，使人眼的視覺暫留，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示的功能。

圖4 LCD 1602電路圖

LCD模塊是本設(shè)計(jì)的主要顯示模塊，承擔(dān)了幾乎全部的顯示功能。

1.4 警報(bào)模塊

報(bào)警裝置采用開發(fā)版自帶的HT6872音頻功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)板載的8Ω 2W喇叭。當(dāng)遇到意外情況時(shí)，由開發(fā)板給出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)喇叭報(bào)警提醒工作人員情況。

1.5 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用了開發(fā)板自帶的STM32芯片作為計(jì)時(shí)器,其功能強(qiáng)大,含有多種定時(shí)器,擁有SPI與IIC等通道接口。

本項(xiàng)目使用了2個(gè)減法計(jì)數(shù)器作為測(cè)溫模塊的基本構(gòu)成，另有2個(gè)定時(shí)器作為時(shí)鐘顯示。

本模塊在設(shè)計(jì)中主要起到定時(shí)與時(shí)間顯示的作用。

1.6 按鍵電路

本設(shè)計(jì)共使用6個(gè)開發(fā)板的獨(dú)立按鍵，為SW0～SW5，其中SW0為確定鍵，SW5為退出鍵，SW1為選擇鍵，用戶可使用這三鍵在面板中來(lái)回切換，SW2、SW3為調(diào)整鍵，用來(lái)進(jìn)行對(duì)時(shí)間與閾值的設(shè)定調(diào)整，SW4為上傳鍵，用以上傳開發(fā)板中所保存的溫度數(shù)據(jù)。

按鍵電路是本設(shè)計(jì)的主要控制手段。

1.7 控溫模塊

控溫模塊為放風(fēng)機(jī)，通過(guò)將大棚內(nèi)部的空氣從出風(fēng)口抽出形成負(fù)壓，再由進(jìn)風(fēng)口放入外界空氣，根據(jù)需求，可在進(jìn)風(fēng)口加裝升溫或降溫設(shè)備以進(jìn)行溫度控制[3]。

控溫模塊接收開發(fā)板傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，例如接收到升高溫度信號(hào)，便讓放風(fēng)機(jī)通道中的加熱棒啟動(dòng)以加熱空氣。

2 溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要有以下功能：溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量與存儲(chǔ)；溫度的顯示與閾值設(shè)置；控溫系統(tǒng)的控制與警報(bào)系統(tǒng)。

顯示系統(tǒng)擁有3個(gè)界面,分為當(dāng)前溫度-時(shí)間顯示界面，溫度-時(shí)間折線圖界面與溫度閾值設(shè)定界面?？赏ㄟ^(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)定溫度的上下限與上傳溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí),溫控系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，為大棚調(diào)節(jié)氣溫。

圖5為主程序設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)的時(shí)鐘控制采用了開發(fā)板自帶的定時(shí)/計(jì)數(shù)器,現(xiàn)將定時(shí)器A時(shí)間設(shè)為10 ms,當(dāng)定時(shí)器A溢出十次(1 s)后計(jì)數(shù)器A發(fā)出測(cè)溫信號(hào)并將標(biāo)志位置零。

圖5 主程序流程圖

另有一個(gè)計(jì)數(shù)器B,每當(dāng)計(jì)數(shù)器A溢出360次(1 h)后便發(fā)出一次信號(hào),讓RAM存儲(chǔ)當(dāng)前DS18B20測(cè)出的溫度,當(dāng)使用者打開溫度-時(shí)間折線圖界面時(shí),將溫度數(shù)據(jù)以折線的形式表示。

由于所需測(cè)溫器較多，本項(xiàng)目使用Wire搜索算法，采用二叉樹的搜索操作，將一個(gè)大棚中的所有測(cè)溫器數(shù)據(jù)收集，以節(jié)約成本、提升效率。

溫度的上傳采用其它的定時(shí)器,當(dāng)時(shí)間過(guò)了2 h后,通過(guò)定時(shí)器將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線上傳到PC。

2.2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了用戶的安全與設(shè)備防護(hù)考慮，在主程序外另有一溫度報(bào)警計(jì)數(shù)器，若啟動(dòng)溫控系統(tǒng)后，測(cè)溫系統(tǒng)連續(xù)3次測(cè)得溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，報(bào)警計(jì)數(shù)器便發(fā)出信號(hào)，讓蜂鳴器報(bào)警，以提示他人溫控系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

2.3 控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控溫系統(tǒng)由開發(fā)板的2個(gè)I/O口控制，分別輸出升溫與降溫信號(hào)，給到控溫系統(tǒng)的設(shè)備上，啟動(dòng)升/降溫為高電平，關(guān)閉為低電平，用變換電路來(lái)增大開發(fā)板的控制信號(hào)以控制系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)作。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 控溫系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中，報(bào)警系統(tǒng)與溫度閾值的功能正常，蜂鳴器音量足夠，測(cè)溫系統(tǒng)與德國(guó)菲索AFRISO電子溫度計(jì)對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示，以測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果論，本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與AFRISO電子溫度計(jì)結(jié)果基本一致，溫度的誤差不超過(guò)1 ℃，以比例來(lái)論，誤差不超過(guò)3%。

表2 測(cè)溫結(jié)果對(duì)照表

需要注意的是，由于環(huán)境限制，無(wú)法模擬大棚的整體溫度情況，計(jì)算太過(guò)復(fù)雜，所以測(cè)試采用了小規(guī)模模擬的方式，并未出現(xiàn)意外情況。

3.2 警報(bào)系統(tǒng)測(cè)試

警報(bào)系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，蜂鳴器功能正常，開發(fā)板檢測(cè)到溫度異常后立即發(fā)出信號(hào)，將控溫系統(tǒng)停轉(zhuǎn)，同時(shí)使蜂鳴器報(bào)警。

經(jīng)測(cè)試，警報(bào)系統(tǒng)沒有出現(xiàn)過(guò)誤報(bào)或拒報(bào)的情況，可靠性較高。

4 結(jié)語(yǔ)

本溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于STM32戰(zhàn)艦開發(fā)板為控制的核心,由DS18B20測(cè)溫器、放風(fēng)機(jī)、蜂鳴器等設(shè)備單元組成。功能包括高精度溫度檢測(cè)、LCD溫度顯示、溫度警報(bào)設(shè)置、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、放風(fēng)機(jī)溫度控制等功能,并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,可靠性與靈敏度高,另增有上傳數(shù)據(jù)功能,可使用PC查看當(dāng)天溫度數(shù)據(jù)。

經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)的功能完好，測(cè)溫誤差不超過(guò)0.1 ℃，控溫誤差未超過(guò)一次，溫度上傳功能可以將當(dāng)天的室溫儲(chǔ)存并上傳至PC實(shí)現(xiàn)溫度的記錄功能。