基于STM32的無線溫濕度控制器

趙 科 李常賢 張 彤

(大連交通大學 a.電氣信息學院；b.動車運用與維護工程學院,遼寧 大連 116028)

隨著工業的發展，對現場溫濕度控制的要求越來越高，傳統的模擬開關控制已經很難滿足生產要求，因此設計更加可靠、智能的無線溫濕度控制器將具有較高的經濟效益和實用價值。無線溫濕度控制器是一種集溫濕度信號采集、數據存儲、無線收發、控制及通信等功能于一體的新型控制器[1]。對于有害及危險等人類難以或無法到達的工作現場，通過設計無線溫濕度控制器對生產現場的溫濕度進行采集、控制和記錄，可達到可靠生產、提高產品質量的目的[2]。另外，由于工業現場空間較大，溫濕度又是非線性、純滯后和大慣性的被控量，因此采用從機分布控制與主機集中控制相結合的方式進行現場溫濕度控制，即通過多點從機進行溫濕度采集和控制，采用無線模塊將信息傳送到中心主機，中心主機通過無線通信向各從機傳送給定值和控制參數，主機可進行監控。在此，筆者以STM32控制器為核心，給出其硬件電路和軟件流程。

筆者提出的基于STM32的無線溫濕度控制器總體設計方案如圖1所示。其硬件電路由高性能的STM32控制器、溫濕度傳感器、固態繼電器和必要的人機接口電路構成。溫濕度信號采集可以使用集成溫濕度傳感器，也可以使用自行設計的溫濕度傳感器，并進行信號調理，然后由STM32控制器內的ADC實現模/數轉換與采集，之后的溫濕度信號由STM32控制器進行線性化處理和溫度補償，通過編程可以采用靈活的控制算法控制執行機構，使溫濕度值為系統給定值。控制器的工況和報警情況可以通過狀態指示電路和報警電路輸出。RS232串口電路用于對控制器進行本地化參數設置、程序調試或作為功能擴展接口。無線通信電路用于主機和從機的雙向無線通信，實現多個從機分布控制和主機集中控制的結合，在此筆者僅介紹單個從機控制器的設計。

圖1 無線溫濕度控制器總體設計方案

2 硬件部分

2.1 主控模塊

主控模塊的核心是STM32 F103ZET6控制器，該控制器是32位高性能、低成本和低功耗的RISC處理器，內核采用CortexTM-M3架構，最高工作頻率72MHz，具有512KByte的程序存儲空間、64KByte的SRAM、8個定時器/計數器、3個SPI、集成5個USART通信接口、3個12位ADC及1個DAC等，硬件資源豐富，非常適合功能擴展。使用STM32控制器的PA1和PA4引腳連接傳感器，GPIO與內部外設ADC1復用，方便擴展或互換傳感器。

STM32控制器要求2.0～3.6V的操作電壓，設計采用如圖2所示的電源電路為控制器提供3.3V的工作電壓。ZEN056V130A24LS器件具有相對平穩的電壓與電流響應，有助于對輸出電壓的鉗位，有利于保護齊納二極管Z1和后續電子元件。

圖2 電源電路

設計的時鐘和復位電路如圖3所示，采用外部時鐘X1為系統提供RTC實時時鐘，采用X2為控制器提供系統時鐘。設計了外部復位電路，可以手動復位也可以通過看門狗自動復位。采用STWD100作為外部看門狗電路，使系統具有很強的抗EMC能力，防止程序“跑飛”，提高系統可靠性。在系統編程或開機期間，STWD100可防止自動生成復位信號，使開發人員可以靈活地控制和管理應用。在不占用 CPU 資源的情況下，STWD100硬件看門狗可使系統工作穩定度和可靠性提高到100%，非常適用于繼電器及接觸器等具有較強干擾的控制系統中[3]。圖3中WDO為看門狗溢出后的漏極開路輸出端，使用時須接上拉電阻；EN為低電平有效的使能輸入信號，最低保持時間1μs；WDI為時鐘信號輸入端，上升沿定時器置數并啟動。

圖3 時鐘和復位電路

2.2 溫濕度測量模塊

溫濕度傳感器選用插針型封裝的SHT75，該傳感器采用CMOSen專利技術，具有較高的可靠性與長期穩定性。SHT75溫濕度傳感器將濕敏元件、測溫元件、A/D轉換器、校準存儲器、狀態寄存器、循環冗余校驗碼寄存器及串行接口等電路集成在一個芯片上，因此具有體積小、功耗低、響應快、抗干擾能力強及性價比高等優點[4]。SHT75的典型工作電壓為3.3V，平均工作電流28μA；相對濕度范圍0～100%RH，最高分辨率12位，測量精度±1.8%RH；溫度測量范圍-40.0～123.8℃，最高分辨率14位，測量精度±0.3℃，完全滿足工業生產現場的要求。SHT75傳感器與STM32控制器接口電路簡單，采用二線串口與控制器進行通信，雙向串行數據DATA端須接上拉電阻，SCK信號提供串行通信的時鐘信號，雙向串行數據DATA信號僅在SCK時鐘上升沿有效，在SCK時鐘下降沿之后改變狀態，通信時序可方便地使用STM32控制器的I/O口模擬。SHT75傳感器溫濕度傳輸過程分為啟動傳輸、發送命令、測量數據和休眠。濕度傳輸時序如圖4所示，相對濕度測量輸出數據SORH為00000100 00110001。溫度傳輸時序類似，溫度測量輸出為SOT，由于篇幅所限，不再詳細介紹。

圖4 濕度傳輸時序

2.3 執行模塊

該設計通過STM32控制器控制交流固態繼電器SSR的輸入波形，實現對中低溫電加熱器和加濕器的功率控制，使溫濕度恒定在一定范圍內。與傳統的繼電器相比，固態繼電器是由固態電子元器件組成的新型無觸點開關器件，具有開關速度快、電磁干擾小、工作效率高、使用壽命長及易于控制器編程控制等優點[5]。交流固態繼電器SSR主要由輸入電路、光電耦合電路、觸發電路、三端雙向可控硅開關和緩沖電路構成。STM32控制器在輸入電路上加上一定的控制信號，就可以控制三端雙向可控硅的通斷，實現開關電路。耦合電路常用光電耦合器，以防止輸出端對輸入端的影響。由于開關電路易產生射頻干擾，并以高次諧波或尖峰等污染電網，因此在光電耦合器和觸發電路之間加設過零控制電路。觸發電路產生符合要求的觸發信號，驅動負載電路。緩沖電路一般采用RC吸收電路或壓敏電阻，防止從電源或負載電路中傳來的尖峰或浪涌脈沖對三端雙向可控硅開關沖擊和干擾。

2.4 人機接口模塊

人機接口模塊包括狀態指示電路、報警電路、無線通信電路和RS232串口電路。

狀態指示電路通過LED燈指示控制器的工況，包括電源指示、串口收發指示、無線通信指示、控制器運行正常與否指示和信號超限指示。STM32控制器GPIO連接SN74ABT245BPW總線收發器驅動LED指示燈。

報警電路實現控制器運行錯誤報警和溫濕度值超上下限報警。STM32控制器輸出報警信號，通過驅動電路使蜂鳴器報警，并進行適當的緊急處理。

無線通信電路采用NRF24L01芯片，該芯片全球開放2.4G的ISM頻段，免許可證使用；最高工作速率2Mbit/s，具有高效的GFSK調制及抗干擾能力強等優點；多達125個可選頻道，滿足多點通信和調頻通信的需要；內置CRC檢錯和點對多點通信地址控制；低工作電壓(1.9～3.6V)；可設置自動應答，確保數據可靠傳輸。該無線通信電路與STM32控制器接口電路簡單，通過SPI接口與STM32控制器通信，配置方便，最大SPI速度可達18MHz。

RS232串口電路采用帶隔離電源的ADM3251收發器，同時對串口收發進行共模保護處理，使接口電路抗干擾能力強、數據傳輸可靠，適合惡劣工業現場環境下工作。由于STM32控制器需3.3V供電，為了使用ADM3251內部自帶的隔離電源，收發器必須5.0V供電，因此使用74HCT08與門作為接口電路，實現STM32控制器與RS232收發器的電平匹配，電路如圖5所示。該串口電路也方便控制器的功能擴展，實現鍵盤輸入或顯示輸出等。

3 軟件部分

無線溫濕度控制器的軟件部分主要包括系統主程序、狀態指示子程序、報警輸出子程序、RS232數據收發子程序、無線數據通信收發子程序及控制量算法子程序等，其中主程序流程如圖6所示。主程序首先進行系統初始化，配置STM32主控器的GPIO端口、初始化串口USART、溫濕度傳感器和無線模塊，接收遠程主機對溫濕度值的給定和對控制算法參數的設置，之后進入無限循環，根據不同功能標志位的變化進行相應模塊的處理。狀態指示子程序用來驅動LED燈，顯示控制器的工作狀態。報警輸出子程序用于驅動溫濕度值超出上下限后的蜂鳴器報警，并及時停止系統運行。RS232數據收發子程序完成對控制器的數據配置和程序調試功能。無線數據通信收發子程序實現遠程數據收發，可以發送分布的控制器狀態、溫濕度信號到遠程控制中心，也可以接收遠程控制中心對分布控制器的初始值給定及參數配置等信息，實現遠程集中控制。

圖5 RS232串口電路

圖6 主程序流程

主控器處理包括對溫濕度信號的計算與補償。STM32控制器按T=-39.6+0.01×SOT處理SHT75采集的溫度信號SOT，求得溫度值T。

STM32控制器按RH1=-2.0468+0.0367×SORH-1.5955×10-6×SORH2處理SHT75采集的相對濕度信號SORH，求得25℃條件下的相對濕度RH1。

并按RH=(T-25)×(0.01+0.00008×SORH)+RH1進行溫度補償，求得相對濕度RH。

控制量輸出采用數字增量式PID控制算法，即Δu(k)=KP[e(k)-k(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，其中e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；KP、KI、KD分別為比例、積分和微分系數；Δu(k)為控制量的增量。

限于篇幅，下面只介紹無線通信中SPI操作的基本方法。

使能SPI2的時鐘，設置SPI2的相關引腳為復用輸出，本設計使用的是PB13、PB14和PB15(SCK、MISO、MOSI)引腳：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//PORTB時鐘使能

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE);//SPI2時鐘使能

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//PB13/14/15復用推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

初始化SPI2，通過庫函數SPI_Init設置SPI2的工作模式和數據位數，設置SCK時鐘極性與采樣方式，設置SPI2的時鐘頻率，設置數據格式(MSB在前或LSB在前)：

void SPI_Init(SPI_TypeDef*SPIx,SPI_InitTypeDef*SPI_InitStruct)

使能SPI2，初始化完成之后要使能SPI2通信：

SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);//使能SPI外設

SPI傳輸數據需要有發送數據和接收數據函數，固件庫提供的發送數據和接收數據函數為：

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);//往SPIx數據寄存器寫入數據Data

ata(SPI_TypeDef* SPIx);//從SPIx數據寄存器讀出接收到的數據Data

查看SPI傳輸狀態，在SPI傳輸過程中，要判斷數據是否傳輸完成：

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE);//判斷發送區是否為空

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);//判斷是否接收完成

4 結束語

經測試，基于STM32的無線溫濕度控制器能夠準確采集和控制溫濕度信號，并通過無線通信準確地與主機進行雙向通信，工作穩定可靠、結構簡單、成本低廉；另外，STM32主控器硬件資源豐富、功能強大、開發方便靈活，便于后期進行功能擴展。該設計基本實現數字化，通過數字PID控制能達到較好的溫濕度控制要求，有較高的穩定性和可靠性，實現了節能低耗的要求。

[1] 張會新,龔進,樊姣榮,等.分布式數字無線測溫系統[J].化工自動化及儀表,2011,38(12):1493～1495.

[2] 薛玲,孫曼,張志會,等.基于單片機AT89S51的溫濕度控制儀[J].化工自動化及儀表,2010,37(7):66～69.

[3] 晏勇,高曉琴.基于STWD100xP WTD嵌入式系統抗EMC技術[J].現代電子技術,2011,34(16):10～13.

[4] 李國柱.利用溫濕度傳感器SHTxx實現濕度測量[J].西安文理學院學報(自然科學版),2008,11(1):101～103.

[5] 李文濤,余福兵.基于STM32單片機的電阻爐智能溫度控制器的設計[J].化工自動化及儀表,2012,39(1):89～91.