基于STM32單片機(jī)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制*

占華林，陳亮亮，張配陽(yáng)，諸麗芳，于子正

(江西科技師范大學(xué)，江西 南昌330013)

1 研究背景及意義

在日常的生產(chǎn)生活當(dāng)中，對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)變得日益重要。在較為早期的社會(huì)生產(chǎn)生活中，溫度的測(cè)量主要采用的是人工溫度計(jì)量法，這種獲取數(shù)據(jù)的方法主要是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)，與測(cè)量人體體溫類(lèi)似，在需要了解溫度的周?chē)h(huán)境時(shí)，在附近安置溫度表，一段時(shí)間后，再通過(guò)人工取出之前放置的儀表，根據(jù)人為讀數(shù)，進(jìn)而去了解倉(cāng)庫(kù)的溫度狀況。在儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)的日常安全工作中監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境是至關(guān)重要的一個(gè)部分[1]。環(huán)境指標(biāo)中的溫度指標(biāo)是倉(cāng)庫(kù)安全至關(guān)重要的一個(gè)指標(biāo)，它可直接影響倉(cāng)庫(kù)所存儲(chǔ)貨物的品質(zhì)。因此掌控倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)溫度信息就變得尤為重要。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法如干球溫度測(cè)量法、濕球溫度測(cè)量法、黑球溫度測(cè)量法步驟太過(guò)繁瑣[2-3]，且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不適合做日常環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。

我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家在對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)方面稍稍慢于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于當(dāng)時(shí)的條件，廣大人民無(wú)法意識(shí)到倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的意義。在上世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始了對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的研究。在技術(shù)上，以單一環(huán)境監(jiān)測(cè)為主，尚未結(jié)合化發(fā)展，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大差距。具體體現(xiàn)在裝備設(shè)施不健全，產(chǎn)業(yè)化落后，環(huán)境控制水平不足。但是我國(guó)的技術(shù)人員學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，在國(guó)家政策的引領(lǐng)下積極實(shí)踐，我國(guó)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的科技體系逐漸形成，雖然我國(guó)溫度監(jiān)測(cè)離工廠化還有很長(zhǎng)一段路要走，在生產(chǎn)實(shí)際中依舊會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，但這也只是暫時(shí)的，相信通過(guò)其他行業(yè)的發(fā)展，慢慢地能夠帶動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，并逐步趕超發(fā)達(dá)國(guó)家。

基于以上背景，文章設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。該系統(tǒng)可以顯示倉(cāng)庫(kù)實(shí)時(shí)溫度，并且會(huì)在溫度高于設(shè)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)并且啟動(dòng)控制模塊降低環(huán)境溫度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32為主控制器[4]，將數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集的數(shù)據(jù)顯示在TFTLCD顯示屏界面，在溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制L9110S驅(qū)動(dòng)電機(jī)上葉片轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到加速空氣流通，達(dá)到降低環(huán)境溫度的效果，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的自動(dòng)控制。

從圖1系統(tǒng)框圖中可得出如下子模塊：

圖1 系統(tǒng)方案框圖

(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)：由32位STM32構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)。

(2)溫度采集模塊：通過(guò)數(shù)字溫度感應(yīng)器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)最小系統(tǒng)。數(shù)字溫度傳感器省略ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程，單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令進(jìn)行配置，讀取相關(guān)的寄存器，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可獲得溫度數(shù)據(jù)。

(3)蜂鳴器報(bào)警：當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送信息驅(qū)動(dòng)蜂鳴器[5]。

(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：當(dāng)倉(cāng)庫(kù)溫度超過(guò)一定閾值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送信息給L9110S控制模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)LCD顯示模塊。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

用戶可以根據(jù)實(shí)際需要(如，主頻、存儲(chǔ)器、IO引腳數(shù))，選擇不同系列STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)內(nèi)部含有閃存32-512KB和隨機(jī)存儲(chǔ)器6-64KB，可用于系統(tǒng)SoC運(yùn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，如果運(yùn)行復(fù)雜的任務(wù)，可以擴(kuò)展片外Flash和RAM。選用STM32系列單片機(jī)作為最小系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 STM32最小系統(tǒng)

3.1.1 晶體振蕩電路

晶體振蕩電路由晶振、無(wú)極性電容組成。晶體振蕩電路輔助STM32單片機(jī)片內(nèi)PLL模塊，在分頻器模塊的作用下產(chǎn)生片內(nèi)需要的各種時(shí)鐘信號(hào)。

3.1.2 復(fù)位電路

向STM32復(fù)位引腳持續(xù)輸入5個(gè)以上的振蕩周期，可以使STM32內(nèi)部寄存器恢復(fù)初始值。

3.1.3 電源供電

向STM32提供穩(wěn)定直流電壓。

3.1.4 外接串口電路

開(kāi)發(fā)環(huán)境直接通過(guò)串口調(diào)試、下載數(shù)據(jù)、燒錄程序到STM32單片機(jī)。

3.2 溫度傳感器模塊電路

溫度傳感器DS18B20采集倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的溫度，由于溫度的升降導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，將這一變化相應(yīng)轉(zhuǎn)成電壓變化，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化后，傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，再經(jīng)過(guò)校正、查表得到實(shí)際測(cè)量的溫度值[6]。DS18B20有三個(gè)引腳，GND(接地)、I/O(數(shù)據(jù)輸入/輸出)、VDD(電源)，主要由溫度采集器、配置寄存器、ROM、溫度報(bào)警觸發(fā)器等四部分組成。數(shù)據(jù)信息傳輸只通過(guò)一根I/O線進(jìn)行，讀取溫度信息要經(jīng)歷三條指令，第一條發(fā)送復(fù)位指令，第二條發(fā)送ROM指令，第三條發(fā)送RAM指令。溫度寄存器的數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼形式存放，補(bǔ)碼值乘以0.0625獲得實(shí)際溫度值。

3.3 報(bào)警電路

采用晶體管Q9012作為開(kāi)關(guān)管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲[7]。如圖3所示，當(dāng)外部環(huán)境變化映射至P10，引腳信號(hào)變成低電平，晶體管工作在“開(kāi)”的工作狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)出聲音。

圖3 蜂鳴器報(bào)警電路原理

3.4 顯示模塊

TFTLCD(薄膜晶體管顯示器)由于價(jià)格低廉、操作容易等特點(diǎn)，被廣泛使用。本論文采用LCD1602液晶顯示屏來(lái)顯示倉(cāng)庫(kù)溫度等信息。

LCD顯示器具體分為兩種：

(1)字段顯示：輸出相應(yīng)的電平信號(hào)至相應(yīng)的管腳處，以顯示相應(yīng)的數(shù)字或字母。

(2)字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。

本文選用LCD1602作為顯示器件輸出信息，可以顯示2行16個(gè)字符，如圖4所示。

圖4 LCD1602液晶顯示電路原理

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

當(dāng)檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境溫度升高時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L9110S驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加速對(duì)流從而降低環(huán)境溫度。L9110S屬于兩通道推挽式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用集成電路，解決分散元件控制電機(jī)的干擾性，內(nèi)含鉗位二極管防止感性負(fù)載的反向電流，廣泛應(yīng)用于控制直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

4.1 單片機(jī)硬件初始化

4.2 溫度傳感器信號(hào)的采集和處理

4.3 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出到電機(jī)：程序初始化、轉(zhuǎn)速控制、啟動(dòng)停止控制

4.4 溫度信息顯示與控制參數(shù)設(shè)定：狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、上位機(jī)監(jiān)控

4.5 報(bào)警電路：報(bào)警頻率控制、啟動(dòng)停止控制

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控的核心部分需通過(guò)循環(huán)的方式采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比處理。然后對(duì)相應(yīng)狀況判斷處理。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)論

文章提出基于STM32單片機(jī)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制，以STM32為核心控制器，將溫度傳感器采集到的信息在LCD屏上實(shí)時(shí)顯示，并且對(duì)溫度值進(jìn)行判斷，超過(guò)預(yù)設(shè)值將啟動(dòng)報(bào)警和控制電路。當(dāng)溫度降低到小于設(shè)定值時(shí)報(bào)警電路和控制電路停止工作。