基于單片機的集中溫控系統設計

于浩楠 董玉林

摘? 要：為了減少燃煤供暖污染、改善我國空氣質量，進一步節約能源，我國許多城市開始推廣“煤改電”這一以電力代替燃煤作為冬季供暖的主要能源，并且有助于提高清潔能源的使用效率。本次設計以STM32F103ZET6單片機作為核心CPU，根據集中溫控管理系統工作特點和設計目標，給出目標控制系統的硬件組成，根據溫控管理系統的實際需要和通訊特點，設計了一套高效的指令通訊機制和系統軟件并配有設計的手機APP。測試結果表明文章設計的控制系統各工作模塊性能良好、通訊連接穩定，滿足可靠性、擴展性和實用性等工程技術要求。

關鍵詞：集中溫控系統;STM32F103ZET6;手機APP

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0077-03

Abstract： In order to reduce the pollution of coal-fired heating， improve the air quality of our country and further save energy， many cities in our country have begun to promote "coal to electricity"， which is the main energy source of replacing coal-fired heating with electric power in winter. It also helps to improve the efficiency of clean energy use. In this design， STM32F103ZET6 single chip microcomputer is used as the core CPU， according to the working characteristics and design objectives of the centralized temperature control management system， the hardware composition of the target control system is given， and according to the actual needs and communication characteristics of the temperature control management system， An efficient instruction communication mechanism and system software are designed and equipped with the designed mobile phone APP. The test results show that the performance of each working module of the control system designed in this paper is good， the communication connection is stable， and meets the engineering technical requirements such as reliability， expansibility and practicability.

Keywords： centralized temperature control system; STM32F103ZET6; mobile phone APP

在許多發達國家，集中溫控系統已經廣泛地使用在生活中。近些年來隨著煤改電政策的推廣，集中溫控系統才在我國發展起來的。而隨著煤改電政策的推廣，使用溫控器的場合也越來越多，但是單一的溫控器仍然需要人們去對其進行一對一的控制或設定操作，使溫控器的使用局限在了小型家用領域，不能滿足大規模工程應用或者醫院，學校以及政府機關的使用要求。在十二屆全國人大五次會議上李克強總理在政府工作報告中強調出要加解決燃煤污染問題進度。全面實施散煤綜合治理，推動北方地區冬日清潔取暖，實現以電代煤、以氣代煤300萬戶以上，全數淘汰地級以上城市建成區燃煤小鍋爐。本文以單片機為控制器，利用WIFI網絡和工業485總線獲取多個溫控器所測的信息，并且控制所有溫控器工作狀態，也可使用手機APP實現遠程操控。控制器以電容式觸摸屏為信息顯示面板，使用者可以在面板上得到各溫控器的狀態信息，控制其工作方式及工作狀態，滿足“一器控一樓”的工作要求。

1 系統硬件設計方案

系統硬件主要由單片機、電容觸摸顯示驅動電路、SD存儲模塊電路、WIFI通信電路、工業485通信電路、音頻輸出電路、電源轉換及保護電路組成。系統結構如圖1所示。

1.1 主控芯片

根據系統設計需要，主控制板采用了意法半導體（ST）公司的STM32F103VET6作為系統的主控制芯片。STM32F103VET6芯片內核是Cortex-M3， 采用ARM V7 構架，不但支持Thumb-2 指令集，還擁有很多新特性。較之ARM7 TDMI， Cortex-M3擁有更強勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等許多優勢。STM32的優異性體現在以下幾個方面：超多的外設、豐富的型號、優異的實時性能、杰出的功耗控制等，因此在Cortex-M3 芯片的選取上， STM32無疑是首選。其芯片實物如圖2所示。

1.2 工業SP485通信模塊

SP485是隸屬于ISO體系物理層的電氣規定為2線，全雙工，多點通信的標準。接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口，當以高數據速率或長距離進行通信時，差分數據傳輸可在大多數應用中提供優良的性能。差分信號有助于消除在網絡中作為共模電壓出現的接地偏移和感應噪聲信號的影響。RS-485規定符合真正多點通信網絡要求，并且該標準規定在一條單總線上支持32個驅動器和32個接收器。正常情況下SP485需要2個匹配電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般為120Ω）。本設計電路中又加入了隔離光耦，可以進一步降低模擬量的干擾，提高穩定性。

1.3 WIFI通信模塊

無線局域網絡英文全名：Wireless Local Area Networks;簡寫為： WLAN。它是相當便利的數據傳輸系統，它利用射頻（Radio Frequency： RF）的技術，使用電磁波，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構成的局域網絡，在空中進行通信連接，使得無線局域網絡能利用簡單的存取架構讓用戶透過它。本設計中選用的NRF24L01 WIFI模塊是一款透傳能力強、功耗低、操作簡單的物聯網通信模塊，NRF24L01是由NORDIC生產的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。NRF24L01 WIFI模塊3D圖如圖3所示。

1.4 顯示驅動模塊

觸摸方案本設計采用的是交互電容屏，又叫做跨越電容屏，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導電體內形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更有效地防止外在環境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵埃或油漬，電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。具有手感好、無需校準、支持多點觸摸、透光性好等優點。

2 系統軟件設計方案

單片機控制程序主要分為兩個部分，主程序部分和定時中斷控制部分。主程序主要完成屏幕顯示，數據存儲，WIFI通信，SP485通信和單片機邏輯控制。本課題中集中溫控系統均采用STM32F103VET6單片機實現。主程序流程圖如圖4所示。

顯示觸摸屏程序主要包括兩部分，其一是顯示頁面圖片的顯示，其二是觸摸位置的判斷。首先，觸摸位置的判斷利用單片機的模數轉換單元，程序中首先開始一次A/D采樣，后面程序運行利用A/D采樣結束中斷向量跳轉，每采樣完畢一次調用一次中斷處理程序，通過對觸摸屏整體的劃分，對A/D采樣的值進行位置判斷。然后啟動下次采樣，這樣程序循環運行完成對觸摸顯示的功能。最后將所需的顯示界面顯示在觸摸屏上。其觸摸控制流程如圖5所示。

3 結束語

本系統主要以STM32單片機為控制核心，采用NRF24L01WIFI模塊使其具有無線通信能力，配有基于ios系統采用swift語言開發的APP增加其遠程控制能力，采用的工業485有線通信方式，其在有線方式下具有更加安全穩定的控制能力，配有電容式觸摸顯示屏可以帶來更加舒適的操作體驗和視覺感受，配有的原邊反激式開關電源給系統帶來穩定工作的保障。

參考文獻：

[1]陳華.基于單片機的無線傳感網絡通信模塊設計探析[J].電子制作，2017（06）：11-12.

[2]張虎，肖惠云.無線通訊技術在工業領域中的應用[J].自動化博覽，2018，35（11）：124-130.

[3]周潤景.常用傳感器技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2017.

[4]何宏，徐驍駿，張志宏.基于單片機的工業無線遙控系統[J].化工自動化及儀表，2016，43（05）：513-516.