基于STM32CubeMX和HAL庫開發的溫濕度監測反饋系統的設計

吳亮亮，曹江濤

（1.廈門南洋職業學院航空機電學院，廈門361102；2.北京高偉達鉭云科技有限公司云運營服務部，北京100000）

0 引言

單片機開發設計電路已廣泛深入應用于生產生活中，溫濕度檢測反饋系統在地鐵、冷鏈存儲運輸、紡織定型機、煙葉發酵、農業、機房等諸多領域有重要的實用價值。以往設計的溫濕度檢測系統較多采用51單片機進行設計開發，且系統設計針對具體一種特定應用場合，不便于移植，通用性差。溫濕度檢測反饋系統往大存儲、智能化方向發展已經成為市場主流趨勢[1]，并且，主流MCU單片機公司之一的ST意法半導體公司自2014年起，已經不再更新固件庫。結合可視化、圖形化的CubeMX軟件和HAL庫，以其抽象和可移植性等諸多優勢，取代固件庫開發也是大勢所趨。基于STM32和HAL驅動庫，結合CubeMX軟件設計的溫濕度監測反饋系統，可以自主調節溫濕度上下限值以實現不同場合的運用，具備功能更強、功耗更低、開發周期更短等顯著優勢。

1 系統整體規劃

溫濕度監測反饋系統整體規劃有六個部分：STM32單片機、溫濕度采集、顯示電路、閾值設置、聲光報警電路、外設反饋控制電路。系統整體框圖見圖1。

圖1系統整體框圖

1.1 單片機

主流MCU（單片機）公司之一意法半導體（ST），推出的產品STM32 MCU融高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時保持高集成度和開發簡易的特點。本系統正是采用Cortex-M3基礎型MCU主流級的STM32F103C8T6。該系列有豐富的外設、低壓、低功耗、高集成度、高性能，同時價格適中。工作頻率達72MHz，集成了512KBFlash和64KBSRAM，具有I2C、SPI、SDIO等接口模塊，并且具有8個16位的定時器[2]。軟件實現部分結合可視化軟件CubeMX和HAL驅動庫。高效便捷開發周期短，可移植性強。

單片機STM32F103核心電路設計方面針對系統所需，省去非必要環節，有效降低成本。核心電路設計包含以下內容：

（1）電源：采用5V充電器接DC直流電源插座，核心電路使用ASM1117得到單片機所需的3.3V供電電壓；電源和地之間接電容以提高電源穩定性。

（2）時鐘：單接外部8M晶振，省去RTC時鐘。單片機引腳數量少，設計上原本接RTC晶振的兩個引腳PC14（OSC32_IN）和PC15（OSC32_OUT）通過10K電阻直接接地。硬件設計上也可把兩個引腳重映射到PD0/PD1，設置推挽輸出0，節省兩個電阻。

（3）復位：采用按鍵連接NRST端口完成復位電路，并聯電容以消除抖動。

（4）啟動：BOOT1接地，BOOT0通過跳線帽完成高/低電平轉換，實現程序運行和在線調試的轉換。

（5）下載：用最節省資源的SWD下載方式，實際接線時候只接SWIO/SWCLK/GND三條線，僅占用單片機兩個引腳。

1.2 溫濕度采集

溫濕度采集選用DHT11數字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。精度為濕度+-5%RH，溫度+-2℃，濕度量程20-90%RH，溫度量程0～50℃，可滿足多種場合要求。

硬件上DHT11腳1接5V電源；2腳通過5K電阻接電源，同時連接單片機PA1輸入數據；3腳懸空；4腳接地。

1.3 顯示電路

顯示采用微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，抗震性能更好等諸多優點的OLED，相比LCD，OLED不需要背光。在數據傳輸方面，提供多種對外接口方式，例如I2C（Inter-Integrated Circuit）接口，串行SPI（Serial Peripheral Interface）接口，6800、8080并行接口[3]。

七針OLED模塊共有七個管腳，硬件設置上1（GND）腳接地、2（VCC）腳節電源、3（SCLK）時鐘管腳接PA5、4（SDA）數據管腳接PA7、5（REST）低電平復位接PB1、6（DC）數據和命令控制管腳接PB0、7（CS）片選管腳接PA4，采用SPI方式驅動OLED。

1.4 閾值設置

用四個按鍵開關，分別接單片機PB3/PB4/PB5/PB6引腳，以設置溫濕度上下限值。

1.5 聲光報警

用紅色LED和喇叭，當前溫度或者濕度超過設定的閾值，LED點亮同時喇叭響起實現聲光報警。

LED陽極通過IK限流電阻接3.3V電源，陰極接單片機PB10，低電平驅動；蜂鳴器通過PNP接單片機PB11，低電平驅動。

1.6 外設反饋控制電路

單片機PB12/PB13/PB14/PB15四個引腳分別通過三極管8050驅動四路繼電器輸入端，繼電器輸出端分別接排濕、加濕、降溫、升溫設備。每個繼電器反并聯一個二極管以避免過高的感應電壓損壞三極管，設計上繼電器和單片機不共地。產品在結合實際應用場合可采用不同的控制設備。

系統設計原理圖如圖2所示。

圖2系統原理圖

2 系統工作流程和軟件設計

2.1 CubeMX設置流程

（1）默認使用STM32F103C8T6的8M內部時鐘源。

（2）開啟ST-Link調試口（PA13和PA14）

（3）開啟SPI1端口，使用硬件NSS端口，驅動OLED，使用端口PA4、PA5、PA7、PB0、PB1。

（4）開啟外部中斷，接收處理按鍵輸入，使用端口為PB3、PB4、PB5、PB6。

（5）溫濕度模塊接PA1，需動態配置輸入輸出，輸出為喚醒模塊，輸入為讀取模塊數據。

（6）聲光報警端口，PB10/PB11設置為GPIO_Out-Put模式。

（7）外設開關端口，引腳PB12、PB13、PB14、PB15設置為GPIO_OutPut模式。

2.2 軟件設計

軟件實現是結合CubeMX軟件，采用HAL驅動庫，在Keil uVision5平臺開發，方便實現移植。Keil5支持常見的ARM公司系列產品，最主要的是與STM32系列完美兼容，提供了直接可用的啟動文件，直接進行C語言編程開發，適用于多種機型和多種操作系統[4]。可以通過開發軟件自動尋找中斷地址，不需要重新設置啟動文件，不僅方便也有效縮短開發周期[5]。

程序主要包括溫濕度監測、顯示、閾值上下限設定、反饋調節控制等幾個模塊。系統流程圖如圖3所示。

圖3系統流程圖

3 仿真測試

通過硬件測試（未接外設控制設備），用溫濕度計記錄數據作為參照，分別采用空調降溫升溫、加濕器加濕等手段來改變當前環境的溫濕度，實驗結果表明系統能夠實時顯示當前溫度濕度，超過設定溫濕度實現聲光報警（蜂鳴器響起，LED燈亮），同時相應繼電器開關動作，溫濕度值回到閾值內，聲光報警再度停止工作。響應速度快，性能可靠。

4 結語

本系統開發的溫濕度檢測反饋系統是使用單片機STM32F103C8T6結合CubeMX軟件和HAL驅動庫運行程序開發，完成聲光報警和反饋控制。硬件電路設計成本低，功能完善，通用性好，適用于多種環境的需求、長時間工作、無人值守的場合。