基于STM32單片機的智能泳池系統設計

劉登輝,鐘 麟,李怡達

(西京學院 電子信息學院,陜西 西安 710123)

0 引言

隨著時代與科技的蓬勃發展,智能化應用出現在大家的視野中[1]。本設計提出以STM32單片機控制各個傳感器,以達到游泳環境的穩定智能化[2]。本設計加入Wi-Fi模塊實現遠程連接設備,且可通過按鍵實現手自動切換。設計還使用OLED液晶顯示電路、傳感器檢測電路、繼電器電路、摔倒報警裝置及溫控電路等,并在液晶屏上實時顯示參數。

1 單片機系統方案設計

單片機系統方案設計圍繞著以STM32單片機為核心,多模塊互相協作為輔助,形成一個閉環系統。該系統的信息以數字信號輸出,既可以在OLED屏顯示,又可以在無線設備實時監控。系統主要功能如圖1所示。設計分為硬件設計和軟件設計2個部分[3]。

圖1 系統功能設計

1.1 硬件設計

設計主控制器采用的是STM32F103C8T6芯片,其最突出的特點就是強大的拓展能力[4]。

單片機使用8 MHz晶振提供時鐘信號。單片機加了reset復位按鍵和JTAG/SWD調試接口,用于初始化單片機及連接開發器,其有利于單片機程序調試。單片機使用了A/D、D/A轉換通道以及外部中斷用于檢測外部信號的變化。以下介紹了各個模塊的功能。

1.1.1 DHT11溫濕度模塊

本設計使用了溫濕度傳感器模塊。該模塊集成了一個NTC測溫原件和電阻式感濕原件,可以將采集到的空氣溫濕度模擬信號轉換成數字信號,信息處理后在屏幕上顯示[5]。在設計泳池時,該模塊可以多位置分布,一旦有溫度波動會第一時間上報單片機并做出處理,溫度過高或濕度過高會控制風扇通風,溫度過低會有加熱絲加熱,將環境溫度穩定在適合的范圍內[6]。

1.1.2 MQ-7CO濃度模塊

本設計采用國產MQ-7CO濃度模塊,該模塊是利用半導體氣敏元件來檢測CO濃度的傳感器。傳感器內部裝有一個小型的加熱器,通過電流加熱,提高傳感器的工作環境溫度并加速氣體分子的運動。當空氣中的CO與金屬氧化物接觸時,傳感器表面會發生氧化還原反應,改變金屬氧化物表面的電阻。當空氣中CO濃度增加,電阻減小并輸出模擬信號[7]。在泳池設計中,CO達到閾值時,首先會打開風扇通風,并伴隨著報警。

1.1.3 摔倒檢測模塊

摔倒識別由傳感器計算將摔倒可以分為3個狀態,分別為:失重、平穩及倒地。失重時,合加速度會迅速下降,當低于閾值即判定,人體在失重后0.5 s內會倒地,如果在0.5 s內合加速度超加速度閾值,會判斷已經跌到。而在跌倒后2 s內,傳感器發現傾角過大,即會判定人體摔倒并求助。

此設計加入MPU6050六軸陀螺儀采集傳感器狀態的加速度,使用加速度計模塊采集角速度和加速度。將采集到的信息轉換成模擬電壓信號,經放大器放大后,經中間信號處理,進入A/D數模轉換輸出數字信號交給單片機處理。

1.1.4 人體檢測模塊

人體檢測模塊即紅熱傳感器,該傳感器不可重復觸發,即感應輸出高電平后,延時時間段一結束,輸出將自動從高電平變成低電平;另一種可重復觸發,感應輸出高電平后,在延時時間段內,人體在傳感器感應的范圍活動,其輸出會保持高電平不變,直到人離開后才延時將高電平變為低電平,此模塊在單片機設計中使用非常廣。除此之外,本設計采集到的信號運用模數轉換和ADC采樣,通過使能指定此模塊,校準結束后開始AD校準,利用遞推算法將采集到的值用數組儲存起來,方便單片機進一步處理。

1.1.5 Wi-Fi模塊

本設計使用ESP8266系列無線Wi-Fi模塊。此模塊連接非常簡單,一般使用SPI/SDIO接口連接,但也有直接用中央處理器AHB橋接口連接。因此,該模塊是完整的Wi-Fi網絡解決方案,可獨立運行,也可作為從屬設備搭載在其他主設備上運行,本次就是配合單片機使用。

設計中ESP8266直接連接單片機,其具有強大的片上處理和存儲能力,可以通過GPIO口集成傳感器和其他應用的特定設備,該模塊將單片機處理完的數據,通過配網傳送給移動端,從而實現高效連接。延時低使得數據上傳很及時。

1.1.6 PID溫控電路

測泳池水溫模塊使用了T型熱電偶傳感器,銣泡感應的溫度信號會轉換為電壓信號,再經過LT1025補償電路及放大電路,將模擬信號傳給數模轉換中,輸出數字信號給單片機。信號發生器會產生一定頻率的正弦信號。正弦波進入功率放大器,出來的信號會反饋給銣泡。比例控制是PID的基礎,利用微分控制會減小超調量同時加快響應,缺點則是系統不穩定,易受干擾引起系統震蕩。同時,積分控制可以使系統穩定但會增加超調量。由于隨著變量逐漸增多,使用傳統方法并非準確。本設計加入模糊PID算法,將模糊變量精確化,可以提高水溫調節的精度。

除此之外,本設計還使用0.96寸OLED顯示屏模塊和繼電器模塊。OLED作為一種顯示屏模塊,此模塊通常使用SPI或I2C接口進行通信,并且支持多種分辨率和顏色模式。設計中單片機由各模塊采集信息做出反饋,使用繼電器驅動外設觸發動作。

1.2 系統軟件流程

根據系統整體的設計,外部傳感器只負責采集數據,數據處理主要由單片機完成。如何將外設處理得當更是重中之重了,不同的程序邏輯運行速度不同,程序對裝置穩定性有很大影響。本設計的系統軟件流程如圖2所示。

圖2 系統軟件流程

本設計中,程序初始化作為單片機端口初始操作,該功能會將全部程序恢復到初始狀態,等待設備開始運行以及外設重置刷新,保障每次初始化后都重新開始。設計具備泳池環境檢測CO濃度,實時采樣后把信號給單片機,單片機將會和預設閾值進行對比。超閾值會有相應動作即通風和告警。設計利用陀螺儀檢測加速度。傳感器分析檢測摔倒動作會報警呼救。紅外檢測人體控制的時間。溫濕度傳感器控制通風。以上設計都是為了保證泳池的安全性、舒適性。為達到恒溫的效果,加入模糊PID控制加熱芯片,對水溫實時測量并控制。

本設計通過設置溫濕度區間閾值。當空氣濕度超出閾值時,系統會自動打開風扇進行通風。反之,當空氣溫度低于閾值,系統會打開空氣加熱裝置。本設計加入Wi-Fi模塊,雙方建立TCP連接后,通信配對成功,使用機智云App進行Wi-Fi配網,實現軟件的遠程遙控功能,實現智能互聯以及實時監測信息,遠程遙控泳池的各類信息。

本設計使用PID作為溫度控制,其精度要高于其他方法。銣泡將溫度采集解析后開啟PID算法。溫度過低會啟用加熱模塊提高泳池水溫。此控制是本設計的創新點及難點。

2 結語

本設計使用單片機用于智能泳池設計,實現手自動切換,并控制外界環境及其他因素,同時監測在機智云軟件上實現遠程的控制。經過多次聯調,確保裝置運行穩定,設備在一切正常的前提下,為了測試PID溫控的效果,多次改變泳池的溫度,起初反應遲鈍,最終使用單片機完整地實現了智能泳池的功能。