面向STM32 單片機(jī)的智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

鄭 賽，尚志會(huì)，秦銨勝，李洋，羅 成

（遵義醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，貴州 遵義 536000）

溫度作為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)重要物理量，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中扮演著極其重要的角色。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與變革，以智能化技術(shù)為主的新型技術(shù)研究已經(jīng)得到很大發(fā)展[1,2]。鑒于此，智能溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)越來越受到大家的關(guān)注。在智能監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于智能溫度測(cè)量系統(tǒng)得到了大量的研究與使用，傳統(tǒng)的人工的溫度測(cè)量裝置正在被取代[3,4]。新型測(cè)溫裝置通過溫度傳感器，能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并且把所測(cè)溫度數(shù)據(jù)傳給中央控制模塊，使所測(cè)溫度數(shù)據(jù)顯示出來并作出判斷操作，若所測(cè)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)不在所設(shè)置的溫度范圍內(nèi)，控制模塊發(fā)出警報(bào)[5]。

根據(jù)現(xiàn)有傳感器的發(fā)展情況和單片機(jī)所具備的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)一個(gè)基于單片機(jī)的智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可以更好地服務(wù)人們的日常生產(chǎn)和生活，減少因?yàn)闇囟纫蛩貛淼挠绊憽；赟TM32 單片機(jī)的智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)占用空間小、易于維護(hù)，可用于惡劣的環(huán)境，并且可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)精度，減少不必要的勞動(dòng)，從而降低了生產(chǎn)成本。因此，溫度智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于STM32 單片機(jī)的智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我們需要對(duì)各個(gè)模塊的功能和配置進(jìn)行掌握。在開發(fā)的過程中要多模塊協(xié)同配合開發(fā)，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)功能具有完整性和有效性。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)功能模塊組成，分別是STM32 單片機(jī)的核心控制芯片模塊、LCD1602顯示模塊、DHT11 溫度采集模塊、溫度設(shè)置按鍵模塊。該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在整個(gè)系統(tǒng)中，通過DHT11 溫度采集模塊來監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，并將采集到的溫度通過主控模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD1602 液晶顯示屏上。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)性能需求

基于STM32 單片機(jī)智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在功能和性能上將滿足如下需求：

（1）實(shí)現(xiàn)設(shè)置溫度的最大值和最小值的功能；

（2）實(shí)現(xiàn)溫度采集功能，并且能夠與設(shè)定的最大和最小值進(jìn)行比較；

（3）實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到當(dāng)前溫度大于設(shè)定的最大值時(shí)，紅色LED 燈亮起，代表當(dāng)前溫度過高，如果溫度傳感器監(jiān)測(cè)到當(dāng)前溫度低于設(shè)定的最小值時(shí)，藍(lán)色LED 燈亮起，代表當(dāng)前溫度過低；

（4）提供擴(kuò)展接口，可用于連接其他報(bào)警裝置，增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；

（5）具備功耗低，輕巧便攜，安裝簡(jiǎn)單，操作容易等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103ZET6 芯片

本系統(tǒng)采用了STM32 單片機(jī)作為核心控制芯片，其最高工作頻率為72MHz，可以計(jì)算單周期乘法和硬件除法，并且具有并行LCD 接口，兼容8080/6800 模式。此模塊還具有時(shí)鐘、復(fù)位、定時(shí)器以及看門狗等功能，可以為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定持續(xù)的工作。另外該芯片還具有多個(gè)通信接口，為將來的拓展開發(fā)帶來便利。

2.2 DHT11 溫濕度模塊

DHT11 是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度為20%-90%RH，溫度0～50℃。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)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，超小的體積、極低的功耗使其成為在該類應(yīng)用中苛刻應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。該傳感器為4 針單排引腳封裝，連接方便。

2.3 LCD1602 顯示模塊

1602 液晶也叫1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5x7 或者5x11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。顯示的內(nèi)容為16x2，即可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。

2.4 溫度按鍵模塊

溫度按鍵模塊由兩個(gè)按鍵控制，分別為KEY1、KEY2。KEY1 為升高溫度，KEY2 為降低溫度。每按一次就可在前一次的溫度數(shù)值基礎(chǔ)上加或減1 ℃。KEY1、KEY2 被按下后會(huì)將對(duì)應(yīng)GPIO 的電信號(hào)拉高或拉低，STM32 單片機(jī)通過監(jiān)測(cè)GPIO 的電信號(hào)變化判斷是否有按鍵被按下，并進(jìn)行處理。STM32單片機(jī)核心控制芯片電路，如圖2 所示。

圖2 核心控制芯片圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于STM32 智能溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)前面所述的各個(gè)硬件電路模塊的功能。下位機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以一個(gè)主程序?yàn)楹诵?，然后再針?duì)硬件電路的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)出相配合的子程序模塊。整個(gè)流程主要包括開始工作、信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、中斷信號(hào)接收、中斷信號(hào)處理以及信號(hào)響應(yīng)等過程。基于此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

在電子設(shè)計(jì)的過程中，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過不斷測(cè)試來監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)是否存在缺陷，便于后期進(jìn)行修改與調(diào)整。當(dāng)我們了解到產(chǎn)品需要滿足的功能之后，就需要針對(duì)對(duì)應(yīng)的功能進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行調(diào)試。下面是系統(tǒng)的實(shí)物設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)主要體現(xiàn)是否可以將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)在LCD顯示屏上顯示出來，同時(shí)也要注意其他外圍電路的設(shè)計(jì)是否合理。在供電之后，可以發(fā)現(xiàn)，顯示屏可以正常顯示所設(shè)定的溫度，最大溫度為35 度，最小溫度為15 度，當(dāng)前溫度為17 度，如圖5所示。

圖5 顯示屏顯示結(jié)果圖

5 結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，顯示屏上可以很好地顯示基本的溫度參數(shù)信息，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性良好。

6 結(jié)語

經(jīng)過不斷調(diào)試和修改，本系統(tǒng)需求的功能已基本實(shí)現(xiàn)。但是，在本仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，也暴露出來了一些問題。本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了基本的設(shè)計(jì)功能，今后需進(jìn)一步完善和優(yōu)化，將整個(gè)系統(tǒng)向著市場(chǎng)化方向發(fā)展，逐步拓展其功能，依靠其成本低廉和功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，走入市場(chǎng)，滿足各行各業(yè)的需求。

此外，如果使用TCP/IP 協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在單片機(jī)和PC 機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以突破空間上的限制，這也是本系統(tǒng)需要改進(jìn)的方向。