基于STM32 的多通道溫濕度測量儀設計研究

王小龍

（中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

溫濕度是測量方面非常關(guān)鍵的可測量因素。不管是人們賴以生存的基本居住條件，或是工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)、軍事、氣象觀測等行業(yè)，都必須對溫度與濕度實施檢測與管理。而由于電子、計算機科學、通信技術(shù)、傳感器設備和傳感技術(shù)等發(fā)展，檢測行業(yè)對溫度與濕度的測量能力已經(jīng)實現(xiàn)了跨越式的提升。在現(xiàn)代社會，溫濕度測量可應用的范圍非常大，例如，探究救災機器人、醫(yī)院、工業(yè)控制和文物保護等領(lǐng)域都對溫濕度測量有著一定的需求。基于此，研究開發(fā)出一款成本低、可靠性優(yōu)越的溫濕度系統(tǒng)便顯得尤為重要。此次設計中，將以STM32 為基礎，展開多通道溫濕度測量儀的硬件、軟件設計工作，并進行相應的調(diào)試，以便于獲得可用于實踐工作中的高可靠性測量儀。

1 溫濕度測量儀研究進展

現(xiàn)代人要求的基本生活條件越來越嚴格，特別是溫濕度的問題直接關(guān)系到整個社會，甚至威脅到人類和其他動植物的生存條件。故而在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境保護等工作中，往往要求獲取精確的環(huán)境溫濕度測量信息。鄧芳明等以射頻識別技術(shù)傳感標簽為基礎研發(fā)出了一種農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測方式，并設計了一種無源射頻識別溫濕度傳感標簽。張露荷等對環(huán)境的溫濕度傳感器信息予以提取，以探討溫濕度傳感器在高寒草原上土地氮礦化監(jiān)測中的作用。已有學者對不同類型的土壤溫度、濕度進行了計算，并對不同類型的覆蓋方法進行了研究。在工程施工中，土地的溫度、濕度都是采用電子儀器進行監(jiān)測的。侯偉等采用虛擬儀器方法，用51 單片機建立了一個作用于農(nóng)田的土壤溫濕度系統(tǒng)，完成了對單塊土地溫濕度的計算和顯示，但系統(tǒng)的測試通道數(shù)目較小，且并行處理功能較弱。將STM32 單片機和51 單片機以及DSP 處理器進行相關(guān)比較，STM32 單片機在計算力、資源方面的優(yōu)勢更為顯著。王子權(quán)等曾經(jīng)研究借助PWM 輸出功能以便于完成調(diào)節(jié)LED 燈亮度的功能。黃琦等采用STM32，根據(jù)分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中定標光纖、雪崩光電二極管的溫度控制需要，特意設計了一個精密恒溫控制管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的整體構(gòu)成中重點涵蓋的內(nèi)容有8 對傳感器，即溫、濕度傳感器各有8 個，溫度傳感器主要借助單總線從而實現(xiàn)和單片機的連接；PCF8591A 對應的是濕度傳感器的前4 個，PCF8591B 對應的是濕度傳感器的后4 個。PCF8591 利用自身的IIC 總線實現(xiàn)和單片機的相連。

單片機在正常運行期間，需要有基本電路進行支撐，其中復位以及晶振電路均屬于基本電路的范疇，設置串口電路的原因主要有2 個方面：一方面是在程序編譯完成并制作為HEX/BIN 文件后，將程序存入單片機芯片中；另一方面是要和上位機進行正常的通信交流。利用按鍵的形式對溫濕度的報警值進行有效調(diào)控。針對裝置中的8 個傳感器組，都要為其增設LED 指示燈，當燈亮起時，則意味著相應的傳感器組處于工作狀態(tài)。除此之外，還需要將報警信號的功率放大，這一工作的目的是促使報警信號能夠及時響起，以便于相關(guān)工作者可以盡快感知到異常情況。

2.2 溫濕度傳感器

2.2.1 SEN0114 土壤濕度傳感器

SEN0114 濕度傳感器，從本質(zhì)上來講屬于一種較為簡單的水分傳感器，其作用是能夠測試土壤中的含水量。如果土壤出現(xiàn)缺水問題，傳感器輸出值將相應降低，否則將增加。借助于四線制系統(tǒng)，其中VCC 和GND 分別代表電源的高電平和低電平。若檢測的濕度參數(shù)值和設定值之間有出入，低于設定值，則DO 便會輸出高電平，反之則會輸出低電平。AO 相當于濕度模擬量的輸出端，這一端口和PCF8591 有所連接，二者連接的目的在于完成模擬量向數(shù)字量變換。

2.2.2 PCF8591 轉(zhuǎn)換芯片

A/D 轉(zhuǎn)換模塊中包括2 個PCF8591 芯片，并且其芯片中有IIC 總線，總線占據(jù)了STM32 的GPIO 端口，故而2 個芯片都會用到IIC 總線。芯片中包含的A0、A1 以及A2 都是器件地址配置端口。如果PCF8591A配置為0×01 的情況下，則A0 便會輸出高電平，其余2個便會輸出低電平。對于PCF8591B 而言，當其配置為0×00 的情況下，這幾個端口都會輸出低電平。STN32其能夠借助IIC 通信技術(shù)實現(xiàn)連接操作，轉(zhuǎn)換芯片的模擬量輸入端口是AIN0—AIN4，基于這一情況來看，PCF8591A 以及PCF8591B 都會和4 個濕度傳感器相連接。

2.2.3 DS18B20 溫度傳感器

這一傳感器的電路較為簡單，并且在工作狀態(tài)下表現(xiàn)出的溫度測量精確性比較優(yōu)良，其按照單總線通信協(xié)議運行工作，能夠借助STM32 的通用GPIO 引腳完成和該傳感器實現(xiàn)通信。該傳感器共包含8 個單總線引腳，分別為PB0、PB1、PC5、PC6、PA0、PA1、PE2 和PE3。

2.3 觸摸屏

設計過程中，將觸摸屏的大小選定為4.3 英寸，類別為電容型，觸摸屏的分辨率參數(shù)為800×480 像素，該顯示屏在顯示信息時，應用的是16 位真彩。該觸摸屏和電阻類型的觸摸屏相比較來講，前者僅需工作人員輕微用手指觸碰便可以激活，多點觸摸的難度等級比較小，其應用的是鋼化玻璃材料，硬度比較高，不易損壞，可以使用較長一段時間。

2.4 按鍵設計

在設計按鍵的過程中，一共設計了7 個按鍵，其中包括1 個復位按鍵、3 個濕度按鍵以及3 個溫度按鍵。每個按鍵代表的含義各不相同，復位按鍵是將原先設置的參數(shù)歸為初始設定值。3 個濕度按鍵分別為濕度×10、濕度×1、濕度×0.1，這3 個按鍵的含義分別代表的濕度變化率為1、0.1 以及0.01。3 個溫度按鍵的含義與濕度按鍵相似，在此不作過多闡述。

2.5 功率放大電路

通過D2822A 的輔助，可以實現(xiàn)對單聲道音頻功率的放大，從而達到提高系統(tǒng)噪聲的目的。如圖1 所示，輸入端為Input，這一端口可以實現(xiàn)和音頻設備的連接。

圖1 音頻功率放大電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的設計工作包括任務組態(tài)、人機界面設計等。

3.1 任務配置

系統(tǒng)任務主要包括：任務創(chuàng)建功能的啟動任務、觸摸屏任務的觸控任務、人機界面的顯示與刷新任務、報警任務boom_task、按鍵的檢測任務key_task、系統(tǒng)工作指示任務led_task、溫濕度測量任務THmer_task1—THmer_task8。

3.2 人機界面設計

人機界面的設計工作十分重要，其設計質(zhì)量的高低直接關(guān)系到系統(tǒng)工作效率。在本設計中，主要設計了2 種界面，一種是報警值設置界面，另一種是參數(shù)值顯示界面，這2 個界面不僅是相互獨立的，而且也是互相關(guān)聯(lián)的，在設計期間，需要考慮到界面切換的問題，這樣做是為了更好地進行參數(shù)設置以及參數(shù)觀察。

3.2.1 報警值設置界面

在設計人機界面時，需要將溫濕度報警值設定為系統(tǒng)初始化界面，也就是在系統(tǒng)啟動之初，便會首先進入到這一界面中來，不用工作人員進行相應的操作，只要啟動系統(tǒng)，該界面便會展現(xiàn)出來。

3.2.2 參數(shù)值顯示界面

這一界面的主要作用是能夠展現(xiàn)8 個通道中的溫濕度參數(shù)變化情況。如果監(jiān)測到數(shù)值后，顯示屏中對應的位置便會顯現(xiàn)出這一參數(shù)值。若沒有檢測到相關(guān)數(shù)值，則顯示屏便會顯現(xiàn)“NULL”。

3.2.3 互斥信號量配置

對于PCF8591A 以及PCF8591B 來講，因為這2個芯片需要共同用到IIC 總線，但是總線只有1 個，所以每次讀取數(shù)據(jù)時，無法同時完成，單次只能讀取單個芯片上的數(shù)據(jù)信息。為了有效防止共享總線過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)串聯(lián)的異常現(xiàn)象，需要設計互斥信號量，這樣做的目的是充分避免優(yōu)先級出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的情況。與此同時，還要確保單片機在每一個通信周期中，僅與其中1 個芯片進行交流。

在程序設計過程中，還需要增加一個變量，即TASK-FLAG，這一變量設置的目的是對所有任務狀態(tài)加以記錄，以便于充分掌握每個任務的具體情況。變量位數(shù)為32。借助對其中部分位的邏輯功能配置處理，便能夠?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)任務運行狀態(tài)的標志。

3.3 系統(tǒng)程序整體流程

系統(tǒng)整體程序流程如圖2 所示。從圖2 中可以看出，程序開始，需要先進行初始化，其中包括程序庫初始化、LED 初始化等諸多初始化內(nèi)容。當UCOS 在實現(xiàn)初始化操作之后，接下來會開始start_task 任務，并創(chuàng)建系統(tǒng)所要用到的其他任務，在任務運行過程完成之后，將之掛起。任務均放置在1 個任務池當中。emwin_task 則需要實現(xiàn)人機界面的顯示工作。當初始化操作結(jié)束之后，系統(tǒng)會自動到達報警值界面。相關(guān)工作人員需要在該界面設定合理的參數(shù)值，并觸碰“START”按鈕開始工作，觸碰“ENTER”按鈕可以到達數(shù)值顯示界面。在該界面中觸碰“RETURN”，則可以返回原先的界面。

圖2 系統(tǒng)整體流程

3.4 溫濕度測量任務

溫濕度測量任務的重點工作是調(diào)用溫濕度測量有關(guān)的函數(shù)，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再借助相應的數(shù)據(jù)處理措施，確保溫濕度相關(guān)數(shù)值可以正常反映在觸摸屏界面上。在這一流程中，會涉及變量err，這是操作系統(tǒng)中必然會存在的，其作用是存放程序運行有偏差的內(nèi)容，溫度測量函數(shù)確保共享數(shù)據(jù)總線，故而在進行相關(guān)函數(shù)的調(diào)用時，不用設計互斥信號量的判斷內(nèi)容。但是濕度測量函數(shù)必須進行設計，增加關(guān)于互斥信號量的判斷內(nèi)容。

4 開發(fā)板調(diào)試

實驗中涉及了很多設備，包括溫濕度傳感器、發(fā)射機、PCF8591 芯片等諸多內(nèi)容。在這些內(nèi)容中，為了得到更精確的模擬信號，發(fā)射機和溫度傳感器相互連接。

在此基礎上，利用該傳送器將模擬信號傳送給PCF8591，再進行仿真變換，獲取土壤的相對濕度和溫度信息；界面顯示良好，按鍵操作正確，報警和數(shù)據(jù)顯示接口良好，檢測工作正常，溫度、濕度等性能良好；電源信號放大器工作得很好，當溫濕度測量達到告警閾值后可以產(chǎn)生響度較大的報警信號。

5 溫濕度測量儀系統(tǒng)的運行情況

單片機用到的電源電壓為3.3 V，要求供電電壓不可超過這一數(shù)值水平，否則將會對芯片造成一定程度的破壞。接上電之后，系統(tǒng)便會開啟，借助LED 燈來觀察各個溫濕度傳感器組的工作情況。系統(tǒng)需要檢測溫濕度傳感器是否正常工作，若正常，可以進行溫濕度數(shù)值采集工作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；若不正常，則會提示相關(guān)問題。溫度值與濕度值分別為30 ℃、33%，以100 ms 為時間間隔期，每隔一個間隔期便刷新一次數(shù)據(jù)，以便于實時顯示動態(tài)的數(shù)據(jù)值，若溫濕度傳感器出現(xiàn)異常情況，則會提示無設備等內(nèi)容。

從現(xiàn)場的檢查中，可以看到本次設計，顯示的數(shù)字精確度較低，并且數(shù)字的刷新率比較慢，所以在數(shù)字的顯示上需要進一步完善。

6 結(jié)束語

在此次研究中，以STM32F103ZET6 為基礎，并聯(lián)合UCOS 操作系統(tǒng)展開了相關(guān)設計工作，嘗試設計出多通道并行檢測溫濕度的裝置。設計的檢測裝置儀器含有8 個通道，這些通道均能夠?qū)崿F(xiàn)并行工作目標。這一裝置儀器除了能夠用來對土壤的溫度、濕度值進行檢測之外，同樣也可以用來進行環(huán)境信息的檢測，同時也可以用于綠植等的檢測領(lǐng)域。結(jié)合對不同對象的檢測，可以適當?shù)卣{(diào)整通道數(shù)量，同時也可以將這一裝置儀器作為基礎，展開優(yōu)化改造，增設其他檢測功能模塊，以便于更好地適應實踐工作。