基于STM32 的溫濕度檢測系統設計及實現*

宋江明，劉心蕊，張銘朗，何英昊

（大連理工大學城市學院，遼寧大連 116600）

0 引言

對環境溫濕度的檢測在農業大棚、糧倉存儲及呼吸睡眠等都有重要的作用，尤其是在農業生產方面。我國是農業大國，實現農業現代化是我國農業發展的根本目標，也是我國農業發展的基本方向。目前，大多數農場還是通過老式的溫濕度計監測環境狀況，由工人不停地循環查看和調整外界環境來維持理想狀態。這種方式不僅浪費勞動力，而且人工調整的外圍環境波動較大，會對生活生產造成一定的影響［1］。

市場上普遍的監測系統大部分都是基于以MCU-51 為處理器的8位單片機，雖然也實現了實時監控，但由于8 位處理器的處理速度和內存的限制，外接的傳感器極為有限，而且程序不夠穩定，經常出現程序卡頓、系統崩潰等不足。針對以上問題，本文設計并實現了一款基于STM 32的溫濕度監測系統。該系統由STM 32 芯片作為核心處理器，DHT11 溫濕度傳感器模塊作為檢測傳感器，并由OLED 顯示屏進行顯示。STM32處理器為16位處理器，通用版有144 引腳，若加上外圍電路，可以實現對大農場各個位置的全方位監控［2］。DHT11溫濕度傳感器與同類處理器相比，以價格低廉、監測靈敏、體積小、應用環境廣泛等優點在市場上得到廣泛應用［3］。投入到實際生產生活中，可以實現一個控制臺、多個監測點、實時反饋、適度調整等功能［4］。

1 整體電路設計

整體電路如圖1所示，由4部分構成：傳感器外接電路；時鐘晶振電路；供電、降壓、穩壓電路；復位和下載電路。傳感器外接電路是用于DHT11 溫濕度傳感器和OLED顯示模塊與處理器構成聯系，建立信息交流通道［5］；時鐘晶振電路為處理器提供“脈搏”，保證整個系統正常運行；供電、降壓、穩壓電路為整個系統提供穩定、電壓合適的電能；下載電路用于給處理器下載程序不用依靠核心板，復位電路用來對整個系統的重啟。

圖1 整體電路圖

2 硬件設計

圖2所示為硬件設計圖。硬件由DHT11 溫濕度傳感器、OLED顯示屏及STM32 芯片構成，系統應當按照硬件設計圖建立電氣聯系，進行數據傳輸。

圖2 硬件設計圖

2.1 STM 32 芯片

STM 32系列32位Flash微控制器是基于ARM CortexTM-M的處理器，以為MCU用戶提供新的開發自由度為宗旨。最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz，片上集成32 ～512 kB的Flash存儲器，6 ～64 kB的SRAM存儲器。STM 32包括一系列的32位產品，保持了高集成度的同時，還保留了易于開發的特點，將高性能、實時功能、數字信號處理、低功耗與低電壓操作等特性集于一身［6］。

2.2 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度傳感器是一款具有已校準數字信號傳輸的溫濕度監測兩用傳感器。它擁有專用的數字模塊采集技術及溫濕度傳感技術，具有高可靠性和長期穩定性，成本低廉，具有相對濕度和溫度測量，響應快，抗干擾性強，信號傳輸距離長，數字信號輸出，精確校準。

2.3 0.96 寸OLED顯示屏

相比較傳統的LCD 12864 顯示屏，OLED 屏無需背光，顯示單元能自發光，功耗低。像素點密集，更利于人眼觀察。采用IIC通信方式，占用的IO口少，響應速度快，畫面不會出現卡頓或延遲。制作工藝簡單，成本低。

3 軟件設計

3.1 IIC總線

本系統OLED采用IIC 總線［7］與微處理器進行通信。IIC總線有一條時鐘線SCL，一條信號線SDA。所有接入到IIC總線設備上的串行數據線SDA都接入到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL 接入到總線的SCL 上。通常主機都是微處理器，總線的數據傳輸均由主機控制。被主機尋訪的設備稱為從機，每個接入IIC 總線的從機設備都有且只有唯一地址，以便于主機的尋訪。IIC總線上可以接入多個微處理器和各種外圍設備，為了保證數據的可靠傳輸，任意一時刻總線只能被某一臺主機控制，各主機應在總線空閑的時候發送啟動數據，開始進行尋訪。

3.2 單總線協議

本系統DHT11采用單總線協議［7］與微處理器進行通信。單總線協議主機和從機通過一根信號線通信，它既可以傳輸時鐘，又可以傳輸數據，數據可雙向傳輸，一個主設備可以擁有一個或多個從設備。與IIC 協議相仿，每個從機有唯一地址以供主機尋訪并通信。

3.3 程序框圖

圖3所示為程序框圖。軟件的重點是對溫度、濕度的讀取和處理。系統上電后，先對各個模塊進行初始化，然后從DHT11溫濕度傳感器模塊中讀取數據，處理器內部進行數據的整理和轉換，將二進制數據轉換成10進制小數點后一位數據，轉換完成后，發送到OLED顯示模塊進行顯示。

圖3 程序框圖

4 系統測試

4.1 硬件調試

在本系統中，硬件部分首先通過Altium Designer 19 電路板繪制軟件完成對電路的繪制［8］。為了使制作的電路板上的電路走線清晰明了，器件布局合理，在實現基本功能的同時，電路板應盡量美觀。供電、降壓、穩壓電路如圖4 所示，12 V電壓進入該電路后，通過LMS2596降壓芯片，輸出5 V電壓，再通過LM1117降壓芯片，輸出3.3 V電壓，并利用電容的充放電原理，進行對電源的穩壓，再輸入到各個模塊。時鐘晶振電路、下載電路、復位電路如圖5 所示，晶振電路由外部晶振和低速外部晶振構成，為STM 32 芯片提供“脈搏”，保證系統的正常工作；下載電路預留下載接口，保證程序的下載；復位電路由開關、電阻和電容構成，用于必要是對系統的重啟。傳感器外接電路如圖6 所示，預留DHT11溫濕度傳感器及OLED顯示屏的外接接口，便于與處理器建立電氣聯系，傳輸數據。電路板制作完成后，首先測試電路是否導通，其次檢查電路設計是否合理規范且正確。檢查無誤后，硬件調試完成。

圖5 時鐘晶振電路、下載電路、復位電路

圖6 傳感器外接電路

4.2 軟件調試

在軟件調試中，首先在STM 32 開發板上實現對DHT11溫濕度傳感器模塊的數據讀取，圖7 所示為在上位機上顯示數據，以及利用OLED顯示模塊對數據顯示的操作，以便于后期將程序移植到獨立系統之中。

圖7 串口調試助手顯示數據

4.3 整體調試

在分別進行硬件調試與軟件調試后，將兩者相結合共同調試，其中要注意軟件程序是否與硬件電路相吻合，有無數據口錯誤的情況出現。圖8所示為整體調試圖。

圖8 整體調試結果

5 結束語

針對以51單片機為核心的溫濕度檢測系統存在的問題，本文設計并實現了一款基于STM 32的溫濕度監測系統。該系統以STM 32芯片作為核心處理器，DHT11 溫濕度傳感器模塊作為檢測傳感器，并由OLED 顯示屏進行顯示。實驗結果表明，系統實現了對溫度、濕度實時監測，并且該系統具有設計簡單、可靠性高、監控數據準確、易于安裝、經濟實用等特點，在生活、生產、工業等領域中具有一定應用價值。如將該系統應用于農業大棚時，實現實時檢測的同時，也可借助WIFI模塊實現數據的無線傳輸，從而實現遠程監測，真正做到基于互聯網+的農業。