新工科背景下建設(shè)智能電子類實驗室典型技術(shù)研究

田輝輝，張興達，劉倩

（濟南大學(xué)泉城學(xué)院，山東煙臺，265600）

1 基于WiFi的電子類實驗室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)主要包括上位機監(jiān)控端（手機客戶端）、下位機溫濕度實時監(jiān)測執(zhí)行端，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 基于WiFi的電子類實驗室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 下位機電路的設(shè)計

下位機電路主要包括：DHT11溫濕度傳感器模塊、WiFi發(fā)射模塊、核心控制器STC單片機、顯示模塊、繼電器控制溫濕度調(diào)節(jié)模塊、報警模塊。STC單片機為控制核心，通過接收溫濕度傳感器DHT11發(fā)送的溫濕度信號進而控制溫濕度調(diào)節(jié)模塊，也就是直接控制四組繼電器通電斷電，四組繼電器通過通斷電分別控制所連接的制熱片、制冷片、干燥器和加濕器工作。單片機同時控制WiFi發(fā)射器發(fā)射出無線局域網(wǎng)信號。

其中，核心控制器采用宏晶科技的STC89C54單片機，P0口、P2.5～P2.7分別接1602液晶顯示器7～14引腳、4引腳、5引腳和6引腳；P1.2接蜂鳴器，用來聲音報警；P1.3～P1.6分別接控制濕度升降、溫度升降的繼電器；P2.4接DHT11溫濕度傳感器；P3.0和P3.1接WiFi發(fā)射器；RST接復(fù)位鍵，用于溫濕度值的復(fù)位；XTAL1和XTAL2接振蕩電路；GND接地；VCC接電源+5V。圖3給出了主控芯片接線圖。

溫濕度報警模塊：DHT11探頭監(jiān)測溫度和濕度異常，單片機接收到信號，單片機通過四個繼電器控制實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度和濕度，當達到設(shè)定值時單片機控制繼電器停止工作。

WiFi發(fā)射模塊：接收到STC單片機傳送來的信號通過端口發(fā)送到路由終端再由終端端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器再到客戶端或直接到客戶端。

圖2 下位機電路總框圖

WiFi模塊采用HC-21WiFi 串口通信模塊由兩部分組成：WiFi電源指示燈和WiFi發(fā)射器。WiFi電源指示燈部分由一個發(fā)光二極管和一個阻值為10K的電阻串聯(lián)而成，接入3.3V直流電源。WiFi發(fā)射器第17、18引腳接地，第20引腳接3.3V直流電源，第25引腳接單片機P3.0接口，第27引腳接單片機P3.1接口，目的是連接STC單片機用于傳輸數(shù)據(jù)，將下位機數(shù)據(jù)傳送給上位機。此WiFi發(fā)射器與控制核心STC單片機采取全雙工異步通信方式，可同時接收來自單片機發(fā)來的信號和向單片機發(fā)送信號。

圖3 主控芯片電氣原理接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化程序編寫方法。主要為主程序和各個功能子程序，他們共同完成系統(tǒng)功能，具體的功能描述為：

系統(tǒng)連接電源后STC89C54單片機開始啟動，WiFi發(fā)射器開始啟動，開始向外發(fā)射WiFi信號，DHT11溫濕度傳感器開始采集溫濕度數(shù)值，然后將采集的溫濕度數(shù)值傳送給核心控制器STC單片機，單片機根據(jù)預(yù)設(shè)的程序控制四組繼電器的通電與斷電，進而控制溫濕度的升降，同時單片機將收集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi發(fā)射器，WiFi發(fā)射器接收到單片機傳送的信號開始根據(jù)預(yù)設(shè)程序執(zhí)行相應(yīng)的動作向外發(fā)射WiFi信號，手機APP接收到來自WiFi發(fā)射器發(fā)射的信號會顯示當前測量點的溫濕度數(shù)值，并且通過手機APP上的升溫度、降溫度、升濕度和降濕度四個功能鍵可以人工的調(diào)節(jié)測量點范圍內(nèi)溫濕度的升降。下面將對手機模塊與WiFi模塊設(shè)計進行說明。

圖4 手機APP端的簡單界面

手機客戶端軟件：使用Eclipse軟件，通過Java語言進行相關(guān)程序的編寫，然后將其下載至用戶手機，安裝成功后手機上便有一個控制軟件，將裝有客戶端的手機連入WiFi發(fā)射器發(fā)射的無線局域網(wǎng)內(nèi)，然后啟動手機APP，手機APP接收到來自WiFi發(fā)射器發(fā)射的信號后會自動識別并讀取信號，然后通過預(yù)設(shè)的程序自動的將信號轉(zhuǎn)變成溫濕度值顯示在手機APP界面上，在手機APP界面上可以人工的通過點擊升溫度、降溫度、升濕度和降濕度四個功能鍵來控制四組繼電器工作，進而控制測量點范圍內(nèi)的溫濕度調(diào)節(jié)。圖4給出了APP端的簡單界面。

圖5 WiFi模塊程序流程圖

WiFi模塊程序：連接電源并啟動WiFi發(fā)射器，WiFi模塊接收來自單片機的數(shù)據(jù)，然后分析單片機傳來的數(shù)據(jù)，WiFi發(fā)射器預(yù)設(shè)6種程序，分析數(shù)據(jù)后WiFi模塊執(zhí)行相應(yīng)預(yù)設(shè)程序的動作，發(fā)出無線局域網(wǎng)信號。圖5給出了WiFi模塊程序的流程圖。

圖6 系統(tǒng)運行實物圖

4 系統(tǒng)整體功能調(diào)試與實現(xiàn)

在設(shè)計完成之后將整體系統(tǒng)進行測試，圖6給出了系統(tǒng)的測試結(jié)果，測試表明系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫濕度監(jiān)測功能，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 總結(jié)

本文通過基于WiFi的電子類實驗室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實例講解，展現(xiàn)運用新的科技理念設(shè)計新型產(chǎn)品的思想，契合教育部對高校進行新工科方面建設(shè)的理念，這是新工科理念在教學(xué)環(huán)境改善方面的一次嘗試。