基于STM32的實驗室環境控制系統

麻小娟，朱維娜，黨建林

（西安明德理工學院 信息工程學院，陜西 西安 710124）

0 引言

溫度、濕度和空氣質量等實驗室環境對人體健康、設備和安全生產起著非常重要的影響，對于環境變量在檢測上的研究和技術已經很成熟，但在數據傳輸方式上多數為傳統方案，即數據可以在本地及時的進行傳輸和反饋，往往研究方向主要是對數據的測量和監控方面，對環境變量的控制方面研究很少，在數據的傳輸上多以有線方式進行，導致施工難度和成本大幅度上升、需要人工干預控制，不宜進行大規模推廣和實際應用；伴隨著科學技術的不斷發展，人類對智能化和網絡化的需求日益增加，特別是進入21世紀以來，計算機技術、智能設備、集成電路及物聯網技術得到大力發展，人們對信息傳播的交互需求更加強烈，越來越多的用戶將借助智能設備進行工作和學習，從信息化發達程度衡量來看，信息傳播的準確性和效率在很大程度上決定了生產力。為了將實驗室溫濕度和空氣質量等環境參數及時的進行反饋，發現環境參數的異常變量，減少不利環境因素對人體健康或設備安全造成影響，本文借助物聯網技術設計了一款基于STM32 的實驗室環境控制系統，實現對實驗室環境變量的高效傳輸和控制。

1 系統設計及原理

實驗室環境的遠程檢測和控制系統主要包含微處理器、顯示模塊、傳感器、網絡模塊、電源模塊等部分，系統工作原理為傳感器負責采集環境變量信息，微處理器負責對環境變量數據進行解析、處理和控制，液晶顯示模塊將數據進行本機顯示，網絡模塊將環境數據通過互聯網傳送到服務器并最終呈現在客戶端上位機軟件，通過對閾值的設置和比較，從而實現對環境數據遠程傳輸和控制，系統整體設計框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2 系統子模塊設計

2.1 微處理器

為了實現更高性能和可靠性，微處理選用意法半導體設計開發的STM32F103C8T6，相比傳統的8051 系列單片機，其內核采用ARM 32-bit Cortex ?-M3 CPU，數據處理位數高達32 bit，具有高達72 MHz 的主頻率，支持64 KB的內部存儲、6×20 K 的RAM 容量、32 個IO 口，接口豐富支持USB 全速接口、CAN、2 個SPI、2 個I2C 和3 個USART 等，工作環境溫度范圍-40 ℃～85 ℃，工作電壓支持2.0 ～3.6 V 低電壓供電，可運行操作系統，基于以上功能特點，使得STM32 微處理器可適用于各種不同和復雜應用場合，整個系統中STM32 除負責對環境傳感器數據的解析和處理，還集成了空調遙控指令集對空調系統發送加熱、制冷、除濕、加濕等指令進行控制，使實驗室環境控制系統和空調系統進行聯動控制，STM32F103C8T6 工作時只需要給芯片提供電源、復位電路和外部時鐘電路即可，在IO 分配由PB0、PB1、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11 控制12864 的使能腳和數據腳，PA9、PA10 控制ESP8266EX 的UTXD 和URXD 引腳，PA1、PA2、PA3、PA4 控制PM2.5 傳感器，PA0 與DHT22 數據引腳相連接，微處理器的控制電路如圖2所示。

圖2 微處理器控制電路

整個系統的工作流程為系統上電、微處理器程序加載和參數配置、傳感器初始化配置，系統初始化完成后，微處理器開始接收傳感器上傳的環境參數數據，之后對數據進行解析并將結果顯示在12864 液晶顯示器上供現場人員查看，通過客戶端軟件設定濕度、濕度和PM2.5 的標準閾值，當傳感器實際采集的環境參數變量大于閾值后，將觸發空調系統執行對應動作如加濕、除濕、加溫、降溫等，以此循環維持環境參數在設定的范圍內，系統控制流程和算法如圖3所示。

圖3 控制流程和算法

2.2 溫濕度傳感器

為了提高對環境變量的測量范圍，溫濕度傳感器模塊采取高精度、數字式的DHT22，其由濕度檢測電容、NTC熱敏電阻和一個8 位單片機構成，可測量的溫度范圍為-40℃～80 ℃，采集溫度的誤差小于±0.5 ℃，濕度采集范圍為0%～99.9%RH，濕度誤差可達到±2 %RH，最小采樣周期可以達到2 秒，響應時間最快可在5 秒以內，DHT22的高性能可以適應于絕大部分環境的測量需求，其封裝上只有4 個引腳，將Data 腳與微處理器連接，DHT22 每次數據輸出為40 bit，其40 bit 數據包含16 bit 濕度數據、16 bit 溫度數據以及8 bit 校驗和；其初始化是通過微處理器作為主機拉低總線500 μs 后釋放總線，延時20 ～40 μs 后主機開始檢測從機（DHT22）的響應信號，從機的響應信號是一個80 μs 左右的低電平，隨后從機在拉高總線80 μs 左右進入數據傳送階段，為確保傳感器數據的正確性采樣周期應不小于2 秒，傳感器上電1 秒后開始讀數據；DHT22在輸出數據邏輯表達上70 μs 高電平代表數據“1”，使用26 ～28 μs 的高電平表示數據“0”，每次數據傳送輸出40 bit 的二進制數據，通過微處理器將數據轉換為10 進制，即可實現溫濕度數據的輸出和顯示，無需復雜編程極大的簡化了開發過程和周期。

2.3 PM2.5 傳感器

PM2.5 是指大氣中直徑小于或等于2.5 微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，空氣中PM2.5 的含量越高對人體的傷害會越大，實驗室的電子設備由于存在大量的靜電可對空氣中的粉塵進行吸附，尤其是更小顆粒的粉塵，為了精確的檢測空氣中的顆粒物含量，我們選用北京攀藤科技有限公司的PMS5003S-[180]型傳感器，其支持0.3 ～10 μm 顆粒物的檢測，可有效檢測0 ～500 微克/立方米的顆粒物濃度，可在-20 ℃～+50 ℃溫度范圍內穩定工作，通信上支持UART標準通信協議，使用時可直接通過RXD、TXD 與微處理器相連接獲取數據，顆料物的檢測是根據激光散射原理，對空氣中懸浮的顆粒物濃度進行檢測，同時在特定角度收集散射光，通過米氏散射理論和算法計算出空氣中的顆粒物濃度和直徑，將顆粒物濃度輸出為電信號通過微處理器最終輸出數字信號，傳感器輸出的數據再通過微處理器進行解析，最終輸出PM2.5 的具體數值，其工作原理和控制電路如圖4所示。

圖4 PMS5003S 傳感器工作原理

2.4 網絡模塊

為了實現環境數據在互聯網上進行傳輸，網絡模塊我們選擇由上海樂鑫科技設計開發的ESP8266EX 模塊，其為Xtensa? 32-bit LX6 單核處理器，信號發發射頻率為免申請頻段2.4 GHz，內置TCP/IP 網絡協議，支持 802.11 b/g/n/e/i，時鐘頻率高達160 MHz，+19.5 dBm 天線端輸出功率，能確保良好的覆蓋范圍，在深度睡眠模式下工作電流小于20 μA，并且可以在2 ms 以內被喚醒，因此適用于電池供電的可穿戴電子設備，外設接口包括UART、GPIO、I2S、I2C、SDIO、PWM、ADC 和SPI 等，工作模式支持AP 模式、STA 模式和AP+STA 模式，其內部已集成TCP/IP 網絡協議棧和Socket AT 指令直接調用即可，ESP8266EX 已有集成模塊，封裝接口為8pin 雙列排針，在硬件連接和使用時可直接焊接在PCB 主板上，對模塊進行3.3 V 供電、將UTXD和URXD 與微處理器連接，即可實現數據的無線傳送，使用AT 指令對模塊進行參數配置，關鍵指令為：

2.5 液晶顯示器

為了更加全面的顯示環境變量信息，液晶顯示器的選型上使用經典的12864 型液晶模塊，其形態為封裝好的液晶模塊，IO 口已封裝為外接單列排針且內置漢字庫，支持顯示圖形、字母及漢字，在使用時直接焊接在控制主板上，無需其他額外工作，12864液晶模塊屬于點陣型圖形顯示器，工作電壓范圍為3.3 V～+5 V，支持內置字庫可直接調用，最大可以顯示32個漢字、64 個字母，對于本系統研究的溫度、濕度、PM2.5 環境變量信息及日期信息可以足夠顯示，其為LED 背光驅動顯示，在程序配置上和LCD1602 液晶模塊相同，使能引腳為E、RS、R/W 按照規定時序即可完成初始化配置，其中DB0 ～DB7 為雙向數據引腳，可對數據進行讀寫操作，其初始化過程為寫命令、寫數據、設置顯示模式、開啟顯示屏、清屏操作、游標或顯示移位控制，四行首地址分別為0X80、0X90、0X88、0X98，在實際控制時需要按顯示內容對地址進行偏移，即可將數據顯示到對應的坐標上，12864 初始化主代碼為：

2.6 電源模塊

考慮到后期維護成本及避免廢舊電池造成的環境問題，采用電源模塊對整個系統進行供電，通過變壓繞圈將交流市電220 V 轉為DC12 V，再通過三端穩壓器LM7805 將電壓穩定在5 V，其最大可輸出2 A 電流，最大提供10 W 功率，可滿足系統的供電需求；由于網絡模塊ESP8266EX 和微處理器需要有3.3 V 供電，因此還需要通過AMS1117-3.3 穩壓器進行降壓并穩定輸出3.3 V，輸出端增加電容對輸出電壓進行濾波處理，輸出端增加發光二極管做為電源指示燈，電源模塊為整個系統進行供電，電壓轉換控制電路原理如圖5所示。

圖5 電源轉換電路

3 數據分析

為了驗證傳感器數據是否可以正確向微處理器上報數據，借助串口工具對ESP8266EX 模塊回傳的溫濕度及PM2.5 數據進行打印，經過回傳數據可以看出，計算機回傳數據與液晶顯示數據一致，在使用熱風槍對傳感器加熱測試時，輸出的溫度和濕度信息有相應變化，說明傳感器模塊輸出和配置是正確的，計算機串口打印數據如圖6所示。

圖6 傳感器回傳數據

4 結論

本系統通過對STM32F103C8T6 微處理器、傳感器和網絡模塊的算法研究和參數調試，對于硬件和軟件應用有了更深的理解，系統成功的實現溫濕度和PM2.5傳感器數據的遠程傳輸，傳感器采集的數據與設置閾值進行對比確定出空調系統最優的工作模式，從而實現對環境變量的精確和自動化控制，同時也節約了電能，提高了對生產和生活場所的環境變量控制效率和準確性，對于改善和控制生產和生活環境有著指導性的意義，特別適用于對溫濕度及空氣質量有嚴格要求的實驗室、機房等場所，整個系統具有功耗小、運行穩定、數據量小、施工方便和可無限擴展等特點，有很強的現實指導意義。