羅 超,景 林,易金聰

（福建農(nóng)林大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州 350002）

溫濕度信息在實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)儲(chǔ)、貨運(yùn)、建筑及農(nóng)林醫(yī)藥等眾多場(chǎng)合作為重要的參數(shù)，需要對(duì)其精確測(cè)量，并期望能記錄相關(guān)數(shù)據(jù)供后期讀取、分析及可追朔之用。

溫濕度信息的采集常用的方法有兩種。早期單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析；市場(chǎng)主要產(chǎn)品把數(shù)據(jù)記錄在EEPROM、Flash或U盤等存儲(chǔ)介質(zhì)中，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)特定軟件查看導(dǎo)入數(shù)據(jù)。前者完全依賴 PC，數(shù)據(jù)方便保存為 excel、txt、word的文件格式，數(shù)據(jù)處理方便、快捷，并有利于與其他監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，但不適用于沒(méi)有或不方便接入PC機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合[1]；后者擺脫了計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，具有便攜等優(yōu)點(diǎn)，但受存儲(chǔ)容量的限制，記錄最多幾萬(wàn)條，無(wú)法滿足常年或多年記錄需求,同時(shí)需要特定讀取軟件，造成使用不方便。其中U盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)的,需開發(fā)USB主機(jī)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高，且讀/寫U盤耗電量較大[1]，不適合便攜式。

鑒于溫濕度記錄儀發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合既有產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，本文研究了一種以 STM32F103為核心，NTC、HS1101為溫濕度傳感器，TF卡為存儲(chǔ)載體，LCD點(diǎn)陣等構(gòu)成硬件；Fireware固件程序、FAT32文件系統(tǒng)及外設(shè)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以txt文件存儲(chǔ)的便攜式海量溫濕度記錄儀方案。具有不依賴PC、海量存儲(chǔ)、無(wú)需專門軟件讀取、低功耗、高精度、便攜式、使用方便等特點(diǎn)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件采用STM32F103微處理器，包括DC-DC電源管理、LCD、TF卡、鍵盤及HS1101和NTC溫濕度傳感器模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為滿足便攜式和電池供電，器件選型、硬件電路、軟件均考慮低功耗設(shè)計(jì)。

1.1 微處理器

微處理器 STM32F103[2]是 ARM CortexTM-M3內(nèi)核的32位低功耗 MCU，工作電壓 2.0～3.6 V，主頻達(dá) 72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三個(gè)低功耗模式。內(nèi)括 12 bit的 ADC、DMA控制器；支持定時(shí)器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART 等外設(shè);提供欠壓復(fù)位、ECC、MPU、侵入監(jiān)測(cè)、雙看門狗、32位CRC、I/O端口保護(hù)和JTAG熔斷器等安全功能。綜合各項(xiàng)參數(shù)，STM32F103RB是本方案最適合的微處理器之一。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

為考慮便攜式設(shè)計(jì)，電源供給采用兩節(jié)5號(hào)電池。電路中存在精密傳感器，對(duì)電源恒壓及干擾信號(hào)隔離有嚴(yán)格要求，結(jié)合MCU、LCD、TF等外圍供電考慮，主電源定為3.3 V。因電池電壓工作會(huì)變化及效率等因素，對(duì)多種電源方案實(shí)驗(yàn)比較,選用Analogic公司AAT1265-3.3[3]DC-DC，輸入電壓 0.8 V～3.3 V，提供電流達(dá) 250 mA，理想效率超過(guò)93%。

電路如圖2所示，VDD1為輸入的電池電壓,可在0.8～3.3 V之間，輸出為穩(wěn)定3.3 V。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)在±0.05 V范圍以內(nèi)，負(fù)載效率均在90%以上，是理想電源方案。

1.3 溫度電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用千分之一NTC M58模擬溫度傳感器，R值10 kΩ、B值 3 450。具有高性價(jià)比、高精度、測(cè)溫范圍廣、線性好等優(yōu)點(diǎn)。

電路如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)電阻 R(10 kΩ，0.1%)與 Rt分壓,得到與溫度有關(guān)的電壓送至 MCU的 ADC，0.1 μF去耦濾波。

1.4 HS1101濕敏電路設(shè)計(jì)及一致性調(diào)試

HS1101[4]是 Humirel公司的濕敏電容,測(cè)量范圍 0%～100%RH(162～200 pF)，曲線精度±2%RH（10%～90%），濕度系數(shù) 0.34 pF/℃，年漂移量 0.5%RH/年，工作溫度-40～100℃，具有線性度好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

通過(guò)555定時(shí)器將電容值變換為頻率信號(hào)，電路如圖3。其中R11、R4均選1%精密電阻，輸出與濕度有關(guān)的頻率信號(hào)送至MCU。

HS1101出廠前并沒(méi)有進(jìn)行一致性篩選，實(shí)際使用時(shí)，需要用精密LCR儀進(jìn)行批次篩選以保證批量產(chǎn)品的一致性，設(shè)計(jì)中隨意抽取一批濕敏電容，用LCR儀10 kHz檔位在HUM-SA恒溫恒濕箱25℃ 55%環(huán)境下測(cè)試的結(jié)果如表1。

表1 HS1101篩選結(jié)果(25℃，55%)

可見直接量產(chǎn)誤差會(huì)很大，本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)選用C1、C4、C7三個(gè)樣本，即可達(dá)到±2%的一致性，可見測(cè)試結(jié)果分析。

1.5 LCD及其他外圍電路

LCD為 128×64點(diǎn)陣，采用 ST7565R控制器，自帶升電壓，外圍只要極少升壓電容，工作電壓3.3 V，SPI通信方式，電路如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

綜合MCU芯片資源、功能需求等,以ST官方STM32F的Fireware為基礎(chǔ)，加上各種驅(qū)動(dòng)程序、溫濕度處理算法、fatfs、自編庫(kù)函數(shù)、UI做為整體軟件系統(tǒng),軟件邏輯層次與功能定義如圖5所示。

2.1 Driver及LIbrary

最底層為硬件，Driver層參考STM32硬件寄存器及SPI、I2C等相關(guān)協(xié)議時(shí)序，設(shè)計(jì)所有硬件外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)APIentry為上層軟件系統(tǒng)和應(yīng)用提供服務(wù)。官方 Fireware中已定義了 GPIO、DMA、A/D、I2C等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需完成初始化即可調(diào)用，這些資源為軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便捷。

LCD、TF、時(shí)鐘采用 SPI，為兼容處理，根據(jù) SPI時(shí)序自編驅(qū)動(dòng)。

ST固件中本身自帶了DMA、ADC等庫(kù)函數(shù)，參照此思想，本設(shè)計(jì)中加入 TF、FATFS、UI、溫濕度算法的自定義函數(shù)庫(kù)，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于較復(fù)雜的功能層次分明、模塊化，為在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的文件系統(tǒng)等操作提供了可行的方案。

2.2 FATFS文件系統(tǒng)移植

FatFs是一個(gè)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，遵循ANSI C，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改即可移至多種嵌入式微處理器上，具有代碼量小、不依賴于硬件平臺(tái)等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有ZNFAT等模塊。

FatFs層次分明，頂層為應(yīng)用層，為用戶提供了一系列 API函數(shù)，如 f_open、f_close、f_read、f_write 等，無(wú)需理解FAT即可用其API讀寫/文件。中間層FatFs Module完整地實(shí)現(xiàn)了FAT協(xié)議，無(wú)需任何變動(dòng)。

最底層是用戶在移植過(guò)程需要處理的接口，包括存儲(chǔ)媒介讀/寫接口DiskIO和文件創(chuàng)建修改時(shí)間時(shí)所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)只需將TF驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)、SPI通信函數(shù)、RTC時(shí)鐘接口函數(shù)配置好即可完成移植。

2.3 溫濕度處理

2.3.1 溫度分段線性插值法

MCU自帶12 bit ADC轉(zhuǎn)換器將測(cè)得溫敏電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,利用事先轉(zhuǎn)換好的標(biāo)定分度電阻與A/D值數(shù)據(jù)表，通過(guò)分段線性插值法[5]算出溫度。由于溫敏電阻曲線非絕對(duì)直線，為提高精度，采用多點(diǎn)標(biāo)定得到一

其中，rad是轉(zhuǎn)換后 A/D值，n為 12 bit，r是溫度阻值，其值與溫度對(duì)應(yīng)，rv是標(biāo)準(zhǔn)電阻，?為校正常數(shù)。

分段線性插值的原理是設(shè)已給出一系列離散結(jié)點(diǎn)x0＜x1＜ …＜xn上函數(shù)值 y0,y1,…,yn。 選取離插值點(diǎn) x距離最近的插值結(jié)點(diǎn)xk來(lái)計(jì)算函數(shù)y值。 分段線性插值的公式為：個(gè)標(biāo)定分度表，選1度作為標(biāo)定分度。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法簡(jiǎn)單、精度高，校正方便。

標(biāo)定分度電阻與A/D值轉(zhuǎn)換方程為：

具體的插值過(guò)程是：從小到大逐個(gè)取各結(jié)點(diǎn)與插值點(diǎn)比較，如插值點(diǎn) x不超過(guò) x1，則取 x1與 x0進(jìn)行插值，并在公式(2)中令 i=1，計(jì)算 y值；否則再檢查 x是否超過(guò) x2，……如此逐個(gè)檢查下去，一旦發(fā)現(xiàn) x不超過(guò)某個(gè)結(jié)點(diǎn) xk，則取與它前面的一個(gè)結(jié)點(diǎn) xk-1進(jìn)行插值，即在式(1)中令 i=k，計(jì)算 y值。如果發(fā)現(xiàn)x超過(guò)某個(gè)結(jié)點(diǎn)xn-1，則不管 x是否超過(guò)xn，插值結(jié)點(diǎn)均取 xn-1與 xn進(jìn)行，即在公式(2)中令 i=n，計(jì)算 y值[6]。

2.3.2 濕度測(cè)量

MCU可采用中斷或定時(shí)器邊沿頻率捕獲的方式測(cè)出濕度頻率信號(hào)，考慮穩(wěn)定性和整體程序不被頻繁中斷擾亂，選擇用定時(shí)器頻率捕獲的方式。

HS1101線性非常好，因此用表2的標(biāo)定濕度與頻率分度表做分段線性插值法即可，原理同上，只是需要加上溫度補(bǔ)償即可，影響值約為0.04 pF/℃。

表2 溫、濕度測(cè)量結(jié)果

2.4 UI設(shè)計(jì)

開辟一段連續(xù)的內(nèi)存空間n(n為總界面數(shù))，每一個(gè)內(nèi)存空間存放一個(gè)界面函數(shù)的函數(shù)指針，界面函數(shù)調(diào)用只需切換該段內(nèi)存空間的位置，就能實(shí)現(xiàn)界面切換。同時(shí)給界面函數(shù)傳遞的參數(shù),也是以數(shù)據(jù)包指針的形式進(jìn)行傳遞，包括要顯示的數(shù)據(jù),需要被界面設(shè)置的參數(shù)等[6]。定義如下指針函數(shù)：

改變指針值即可換界面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，UI效果良好。

3 測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)品研制后，經(jīng)過(guò)半年多測(cè)試，功耗、精度、穩(wěn)定性、海量記錄等實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果如下。

(1)功耗：待機(jī)電流 0.2 mA左右，工作電流 41 mA左右，據(jù)實(shí)測(cè)的情況，南孚電池工作60 h以上，符合便攜式、低功耗設(shè)計(jì)要求。

(2)精度：溫度通過(guò)多點(diǎn)標(biāo)定及分段線性插值處理，平均誤差小于±0.2℃,見表2。

濕度通過(guò)前期的一致性和溫度補(bǔ)償?shù)忍幚恚鉀Q了人們遇到的HS1101線性好但一致性差的問(wèn)題，隨機(jī)樣篩選后在恒濕機(jī)里測(cè)得的誤差小于±2%。

(3)記錄：整機(jī)以 6 s記錄間隔測(cè)試 5個(gè)月，記錄穩(wěn)定，無(wú)任何出錯(cuò)，計(jì)算機(jī)、手機(jī)、IPAD查看記錄均流暢。以4 GB TF卡為例，可存儲(chǔ)記錄約3 600萬(wàn)條（5千條記錄占0.55 MB）。以1min間隔為例，可記錄6年以上。實(shí)現(xiàn)海量記錄，克服市場(chǎng)主要產(chǎn)品幾萬(wàn)條記錄的限制。

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)、制作產(chǎn)品測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案適合便攜式，技術(shù)較前沿，具有海量存儲(chǔ)、精度高、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

[1]余善恩，郭淼，傅國(guó)定.基于SD卡存儲(chǔ)的便攜式溫濕度記錄儀[J].機(jī)電工程,2009，26(11)：87-90.

[2]Stmicroelectronics Inc.STM32F103 Datasheet[EB/OL].[2011-05-19].http://www.st.com.

[3]Analogic Inc..AAT12565 3.3JS Dataheet[EB/OL].[2009-06-10].http://www.Analog.com.

[4]Sensirio Inc.Sh1101Datasheet[EB/OL].[2009-07-04].http://www.sensirion.com.

[5]沈國(guó)春，張愛花，李擁軍.分段線性插值在超聲成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù)信息，2006，19(2)：30-32.

[6]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007:11-36.