劉克凡

(渭南師范學院，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,而在工農業(yè)生產(chǎn)，尤其是蔬菜大棚的使用中,更是需要對溫度進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。

因此文章將以開發(fā)板為藍本,DS18B20測溫單元為基礎來完成溫控系統(tǒng)的設計，使用放風機等元件實現(xiàn)對大棚內部溫度的控制。同時將測量數(shù)據(jù)上傳至PC機，用以記錄大棚所在的溫度環(huán)境，實現(xiàn)對于大棚內溫度的精準控制。

1 溫控系統(tǒng)的硬件設計

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定與當前溫度的顯示。另有一報警系統(tǒng)，若大棚內的當前溫度連續(xù)三次掉至溫度設定外時,將通過蜂鳴器進行報警并緊急關閉設備。

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節(jié)模塊的運作以達到控溫的目的。

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)采用了高頻晶振轉換方式來進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)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器a的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器a的預置將重新被裝入，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,斜向功率補償累加器還設計了可以用來同時補償其在測溫處理過程中的斜率補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接收主機傳來的開始溫度自動變化控制命令后系統(tǒng)便會自動進行溫度轉換。當溫度轉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展的第二進制進位補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進制數(shù)轉成10進制即可;負溫度把16進制數(shù)取反后加1再轉成10進制數(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模塊是本設計的主要顯示模塊，承擔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動板載的8Ω 2W喇叭。當遇到意外情況時，由開發(fā)板給出報警信號，驅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成，另有2個定時器作為時鐘顯示。

本模塊在設計中主要起到定時與時間顯示的作用。

1.6 按鍵電路

本設計共使用6個開發(fā)板的獨立按鍵，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為調整鍵，用來進行對時間與閾值的設定調整，SW4為上傳鍵，用以上傳開發(fā)板中所保存的溫度數(shù)據(jù)。

按鍵電路是本設計的主要控制手段。

1.7 控溫模塊

控溫模塊為放風機，通過將大棚內部的空氣從出風口抽出形成負壓，再由進風口放入外界空氣，根據(jù)需求，可在進風口加裝升溫或降溫設備以進行溫度控制[3]。

控溫模塊接收開發(fā)板傳來的信號進行動作，例如接收到升高溫度信號，便讓放風機通道中的加熱棒啟動以加熱空氣。

2 溫控系統(tǒng)的軟件設計

2.1 主程序設計

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,分為當前溫度-時間顯示界面，溫度-時間折線圖界面與溫度閾值設定界面。可通過觸摸屏來設定溫度的上下限與上傳溫度數(shù)據(jù)。當溫度超過閾值時,溫控系統(tǒng)會啟動，為大棚調節(jié)氣溫。

圖5為主程序設計流程，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時間設為10 ms,當定時器A溢出十次(1 s)后計數(shù)器A發(fā)出測溫信號并將標志位置零。

圖5 主程序流程圖

另有一個計數(shù)器B,每當計數(shù)器A溢出360次(1 h)后便發(fā)出一次信號,讓RAM存儲當前DS18B20測出的溫度,當使用者打開溫度-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)設計

為了用戶的安全與設備防護考慮，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)的設備上，啟動升/降溫為高電平，關閉為低電平，用變換電路來增大開發(fā)板的控制信號以控制系統(tǒng)的設備運作。

3 測試結果

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，測試結果如表2所示，以測量的實驗結果論，本系統(tǒng)的測量結果與AFRISO電子溫度計結果基本一致，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，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 結語

本溫控系統(tǒng)設計基于STM32戰(zhàn)艦開發(fā)板為控制的核心,由DS18B20測溫器、放風機、蜂鳴器等設備單元組成。功能包括高精度溫度檢測、LCD溫度顯示、溫度警報設置、實時時鐘、放風機溫度控制等功能,并且設計簡潔,可靠性與靈敏度高,另增有上傳數(shù)據(jù)功能,可使用PC查看當天溫度數(shù)據(jù)。

經(jīng)測試，本設計的功能完好，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天的室溫儲存并上傳至PC實現(xiàn)溫度的記錄功能。