基于STM32單片機(jī)的智能取暖系統(tǒng)

陳娟，竺興妹

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校電子工程系，江蘇南京，211135）

0 引言

取暖器的應(yīng)用非常廣泛，特別在寒冷的冬天，如果有一臺智能的取暖器將會為生活帶來非常大的便利。傳統(tǒng)的取暖設(shè)備對溫度的檢測不夠靈敏，往往當(dāng)實(shí)際的溫度已經(jīng)很低的時(shí)候，取暖設(shè)備才會開始加熱，并可能尚未達(dá)到所需的溫度就已經(jīng)停止工作了；有一些溫度控制系統(tǒng)完全基于仿真軟件來設(shè)計(jì)，并未在實(shí)際電路上測試；還有一些采用MCS-51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的處理速度一般[1]-[3]。本設(shè)計(jì)在Keil Vision5環(huán)境下編程，并且利用野火STM32開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了功能——在環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，啟動加熱系統(tǒng)加熱，在加熱過程中當(dāng)檢測到環(huán)境溫度達(dá)到28℃時(shí)就停止加熱，從而使得環(huán)境溫度保持在25℃—28℃之間。在取暖過程中，可能會出現(xiàn)空氣干燥的情況，因此除了檢測環(huán)境溫度，系統(tǒng)還實(shí)時(shí)地監(jiān)控環(huán)境濕度，可以提示人們根據(jù)自己身體的適應(yīng)情況開啟家中的加濕器。

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。它集編輯、編譯、仿真于一體，同時(shí)還支持PLM，匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)。它的界面非常友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序時(shí)，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。

STM32系列單片機(jī)具有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，是32bit系列的單片機(jī)，其內(nèi)部資源（寄存器和外設(shè)功能）較8051、AVR和PIC都要多很多，基本上接近于計(jì)算機(jī)的CPU了。特別是與MCS-51系列單片機(jī)相比較，STM32系列單片機(jī)在速度和功能上要強(qiáng)很多。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)硬件系統(tǒng)基于野火STM32開發(fā)板，硬件電路主要由STM32單片機(jī)、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器電路、LTDC/DMA2D液晶顯示電路和升溫裝置組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸給STM32單片機(jī)，單片機(jī)分析處理溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果控制各電路工作——啟動或者停止加熱電路、LTDC/DMA2D液晶顯示電路顯示當(dāng)前溫度和濕度情況。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機(jī)的復(fù)位電路和晶振電路

復(fù)位電路的作用就是重啟系統(tǒng)。STM32的復(fù)位引腳NRST（14引腳）是低電平有效，即當(dāng)14引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，重設(shè)所有的內(nèi)部寄存器以及片內(nèi)幾十KB的SRAM；正常的工作狀態(tài)下，復(fù)位引腳保持為高電平。

晶振電路的作用是為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號，STM32有兩組晶振，一組是為STM32單片機(jī)提供主時(shí)鐘的，是主時(shí)鐘晶振，一般情況下取值為8MHz；一組是用來為RTC提供時(shí)鐘信號的，是RTC時(shí)鐘晶振，一般情況下取值為32.768K，在實(shí)際應(yīng)用中，如果不使用RTC功能的話，則不需要連接RTC晶振，比如在本設(shè)計(jì)中，只需連接主時(shí)鐘晶振即可。

圖2 單片機(jī)的復(fù)位電路

圖3 單片機(jī)的晶振電路

1.3 LTDC/DMA2D液晶顯示電路

LTDC全稱是LCD-TFT Display Controller， LCD顯示控制器，主要是為外部LCD顯示屏提供RGB信號和控制信號的。本系統(tǒng)采用了STM32F429系列單片機(jī)，該系列芯片內(nèi)部自帶一個(gè)LTDC 液晶控制器，使用SDRAM 的部分空間作為顯存，可直接控制液晶面板，不需要另外再增加液晶控制器芯片。STM32的LTDC 液晶控制器最高支持800x600分辨率的屏幕；可支持多種顏色格式，支持2 層顯示數(shù)據(jù)混合，利用這個(gè)特性，可高效地做出背景和前景分離的顯示效果。

LTDC支持的分辨率較高，功能較多，該控制器只產(chǎn)生LCD需要的時(shí)序，沒有集成RAM。在實(shí)際使用LTDC控制器控制液晶屏?xí)r，待LTDC正常工作之后，需要將要顯示的像素?cái)?shù)據(jù)寫入到配置好的顯存地址中去，因?yàn)轱@示的數(shù)據(jù)量非常大，因此STM32專門定制了DMA2D外設(shè)。DMA2D外設(shè)可以用于快速繪制矩形、直線、分層數(shù)據(jù)混合、數(shù)據(jù)復(fù)制以及圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換[4]。

1.4 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是溫濕度復(fù)合傳感器，它含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號的輸出，使用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其可靠性和穩(wěn)定性。其中傳感器包含一個(gè)電容式感濕元器件和一個(gè)NTC測溫元器件。由于DHT11數(shù)字溫濕度傳感器響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，很多相關(guān)溫濕度檢測控制都可以應(yīng)用該產(chǎn)品，如汽車、數(shù)據(jù)記錄器、家電等[5]。

如圖4所示，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器有四個(gè)引腳，引腳1是VDD，一般用3.3V—5.5V的直流電供電；引腳2是DATA串行數(shù)據(jù)端，為單總線通信，即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成；引腳3是NC，為空腳，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)懸空即可；引腳4是GND接地端，接電源的負(fù)極。

圖4 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器實(shí)物圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)流程圖

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器獲取當(dāng)前的環(huán)境溫度和濕度，并且送到LTDC/DMA2D液晶顯示電路顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境的溫度處于25℃—28℃之間時(shí)，表示環(huán)境溫度適宜，不需要啟動加熱系統(tǒng)；當(dāng)環(huán)境的溫度低于25℃時(shí)，表示環(huán)境溫度偏低，需要啟動加熱系統(tǒng)；當(dāng)加熱系統(tǒng)不斷工作，且檢測到環(huán)境溫度高于28℃時(shí)，停止加熱系統(tǒng)的工作。

圖5 系統(tǒng)流程圖

2.2 部分程序代碼

if( Read_DHT11 ( & DHT11_Data ) == SUCCESS)

{

printf(" ??DHT11??! ???%d.%d %%RH ,???%d.%d? ",

DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci,DHT11_Data.temp_int,DHT11_Data.temp_deci);

LCD_ClearLine(LINE(2));

LCD_ClearLine(LINE(3));

sprintf((char*)dis_buf,”humidity: %2d.%2d %%RH,DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci);

LCD_DisplayStringLine_EN_CH(LINE(4),dis_buf); //顯示濕度信息

圖6 環(huán)境溫度為28.3℃時(shí)的測試情況

3 系統(tǒng)的測試

經(jīng)過在野火STM32開發(fā)板上進(jìn)行測試，在空調(diào)的輔助下，經(jīng)過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測到兩種不同的溫度，為了方便起見，左下角的LED燈為表示加熱器狀態(tài)的信號燈，測試結(jié)果如下：

（1）當(dāng)檢測到環(huán)境溫度調(diào)節(jié)為28.3℃時(shí)，表示已經(jīng)高于合適溫度的范圍，這時(shí)左下角的LED燈顯示為藍(lán)色，表示停止加熱器加熱，液晶顯示屏的第一行顯示“DHT11 temperature＆ humidity detect demo”（DHT11溫濕度檢測演示），第二行顯示“humidity:76.0%RH”（濕度 ：76.0%），第三行顯示“temperature:28.3 degree Celsius”（溫度 ：28.3 攝氏度）。

（2）當(dāng)檢測到環(huán)境溫度為23.5℃時(shí)，表示已經(jīng)低于合適溫度的范圍，這時(shí)左下角的LED燈顯示為紅色，表示啟動加熱器加熱，液晶顯示屏的第一行顯示“DHT11 temperature＆ humidity detect demo”（DHT11溫濕度檢測演示），第二行顯示“humidity:46.0%RH”（濕度 ：46.0%），第三行顯示“temperature:23.5 degree Celsius”（溫度 ：23.5 攝氏度）。

圖7 環(huán)境溫度為23.5℃時(shí)的測試情況

4 總結(jié)

本系統(tǒng)基于野火STM32開發(fā)板，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能的取暖系統(tǒng)，通過測試，能夠準(zhǔn)確地顯示溫度和濕度信息，并能夠根據(jù)檢測的溫度正確地按照功能要求啟動或者停止加熱系統(tǒng)的工作，同時(shí)提供準(zhǔn)確的濕度信息方便人們根據(jù)自己的適應(yīng)情況進(jìn)行空氣的加濕。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對于進(jìn)一步地開發(fā)應(yīng)用型智能取暖系統(tǒng)具有重要的意義。