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,更是需要對溫度進(jìn)行實時而精密的檢測控制。由于傳統(tǒng)的溫度計精度不高,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測溫單元為基礎(chǔ)來完成溫控系統(tǒng)的設(shè)計，使用放風(fēng)機(jī)等元件實現(xiàn)對大棚內(nèi)部溫度的控制。同時將測量數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，用以記錄大棚所在的溫度環(huán)境，實現(xiàn)對于大棚內(nèi)溫度的精準(zhǔn)控制。

1 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

溫控系統(tǒng)框圖如圖1所示，測溫系統(tǒng)采用DS18B20測溫單元,由于開發(fā)板上沒有DS18B20,將DS18B20接上后開發(fā)板需要先檢測其是否成功接入。系統(tǒng)通過LCD液晶顯示屏顯示溫度情況與測溫操作，使用按鍵來切換溫度設(shè)定與當(dāng)前溫度的顯示。另有一報警系統(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,將通過蜂鳴器進(jìn)行報警并緊急關(guān)閉設(shè)備。

圖1 溫控系統(tǒng)框圖

開發(fā)板會將最低/最高溫度記錄在存儲器中，以便使用PC來查看溫度情況。整個系統(tǒng)通過開發(fā)板輸出的信號來控制溫度調(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STM32F103ZETT6作為MCU,擁有64 kbs RAM、512 kb FLASH、兩個數(shù)字定時器、四個普遍廣泛使用的數(shù)字定時器、兩個高級別的定時器、兩個新的DMA數(shù)字控制器、三個12位數(shù)的ADC、一個12位U的DAC、一個新的SDIO數(shù)字接口、一個新的FSMC數(shù)字接口,三個FSSPI,兩個SDIIC,五個數(shù)字串口,一個FSUSB,一個FSCA與112個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存端，可將測得的溫度信息放入存儲器中，是最為核心的設(shè)計模塊。

1.2 測溫模塊

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

圖2 DS18B20電路圖

圖3為DS18B20測溫單元系統(tǒng)圖，將高溫度頻率系數(shù)晶振輸入振蕩時的頻率輸入一個溫度減法測量計數(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的頻率相同，其輸入的一個溫度減法測量計數(shù)器b。當(dāng)b值歸零時測量溫度。測量時，計數(shù)器a對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器a的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器a的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器a重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器b計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。

圖3 DS18B20系統(tǒng)圖

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

表1為DS18B20測溫格式表，DS18B20接收主機(jī)傳來的開始溫度自動變化控制命令后系統(tǒng)便會自動進(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在高速數(shù)據(jù)暫存器和存儲器的第1,2個進(jìn)位字節(jié)。系統(tǒng)可同時通過一個平臺單線或多個數(shù)據(jù)接口直觀地直接讀取該平臺計算機(jī)的所有數(shù)據(jù),讀取時間以低位為前,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 ℃,第二個是0032是(3*16+2)*0.0625=3.125 ℃(負(fù)的)。

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

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LCD電路圖，LCD液晶與開發(fā)板直接相連，通過開發(fā)板內(nèi)部的LCD控制器來控制LCD的動作，LCD接收到控制器發(fā)出的幀同步信號等信號后便會開始動作。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，以便實現(xiàn)動態(tài)顯示的功能。

圖4 LCD 1602電路圖

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

1.4 警報模塊

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

1.5 時鐘模塊

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

本項目使用了2個減法計數(shù)器作為測溫模塊的基本構(gòu)成，另有2個定時器作為時鐘顯示。

本模塊在設(shè)計中主要起到定時與時間顯示的作用。

1.6 按鍵電路

本設(shè)計共使用6個開發(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回切換，SW2、SW3為調(diào)整鍵，用來進(jìn)行對時間與閾值的設(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)板傳來的信號進(jìn)行動作，例如接收到升高溫度信號，便讓放風(fēng)機(jī)通道中的加熱棒啟動以加熱空氣。

2 溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

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

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

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

圖5 主程序流程圖

另有一個計數(shù)器B,每當(dāng)計數(shù)器A溢出360次(1 h)后便發(fā)出一次信號,讓RAM存儲當(dāng)前DS18B20測出的溫度,當(dāng)使用者打開溫度-時間折線圖界面時,將溫度數(shù)據(jù)以折線的形式表示。

由于所需測溫器較多，本項目使用Wire搜索算法，采用二叉樹的搜索操作，將一個大棚中的所有測溫器數(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器,當(dāng)時間過了2 h后,通過定時器將存儲器的數(shù)據(jù)通過I2C總線上傳到PC。

2.2 報警系統(tǒng)設(shè)計

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警計數(shù)器，若啟動溫控系統(tǒng)后，測溫系統(tǒng)連續(xù)3次測得溫度超過設(shè)定閾值時，報警計數(shù)器便發(fā)出信號，讓蜂鳴器報警，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

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

3 測試結(jié)果

3.1 控溫系統(tǒng)測試

測試過程中，報警系統(tǒng)與溫度閾值的功能正常，蜂鳴器音量足夠，測溫系統(tǒng)與德國菲索AFRISO電子溫度計對比，測試結(jié)果如表2所示，以測量的實驗結(jié)果論，本系統(tǒng)的測量結(jié)果與AFRISO電子溫度計結(jié)果基本一致，溫度的誤差不超過1 ℃，以比例來論，誤差不超過3%。

表2 測溫結(jié)果對照表

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

3.2 警報系統(tǒng)測試

警報系統(tǒng)測試過程中，蜂鳴器功能正常，開發(fā)板檢測到溫度異常后立即發(fā)出信號，將控溫系統(tǒng)停轉(zhuǎn)，同時使蜂鳴器報警。

經(jīng)測試，警報系統(tǒng)沒有出現(xiàn)過誤報或拒報的情況，可靠性較高。

4 結(jié)語

本溫控系統(tǒng)設(shè)計基于STM32戰(zhàn)艦開發(fā)板為控制的核心,由DS18B20測溫器、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、LCD溫度顯示、溫度警報設(shè)置、實時時鐘、放風(fēng)機(jī)溫度控制等功能,并且設(shè)計簡潔,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)測試，本設(shè)計的功能完好，測溫誤差不超過0.1 ℃，控溫誤差未超過一次，溫度上傳功能可以將當(dāng)天的室溫儲存并上傳至PC實現(xiàn)溫度的記錄功能。