基于STM32F103RCT6單片機的智能節水控制系統設計與應用

杜 娟

(酒泉職業技術學院,甘肅 酒泉 735000)

0 引言

我國是人口大國,水資源匱乏,水污染嚴重,節約水資源勢在必行,居民生活用水的節水需求更是迫在眉睫。居民生活用水主要包括家庭用水和公共場所用水[1]。公共場所主要包括商場和學校這類場所。本文以學校這類場所為主,討論學校的衛生間用水情況,并針對現有情況,提出改進的智能節水控制系統方案。

學校現有的衛生間主要有坑位式衛生間和長槽式衛生間,坑位式衛生間多采用紅外感應進行沖水控制,長槽式衛生間主要采用定時沖水。以上2種沖水控制方式均為獨立式控制,控制系統簡單,功能單一。若某個坑位的檢測器或長槽的控制器出現故障,則可能出現不能沖水或沖水不停的情況,從而引發衛生間衛生環境差或水資源浪費嚴重等問題。

本文從功能、節能多方面考慮,研究了一種以單片機為控制核心,以傳感器、電磁閥、水流量計、定時器、鍵盤、TFT1.8寸屏等器件構成外圍電路的控制系統。該系統可在不同時間段自動開啟不同的沖水模式,提高了節水效率。同時,該控制系統融入物聯網技術,實現了網絡監控界面開發和整個控制系統信號的匯集、傳輸,為相關人員做好系統數據監測、故障處理提供了便利。該系統具有節水效率高、智能化程度高、可聯網運行、操作方便、控制方式多樣等優點。

1 系統整體設計

基于STM32F103RCT6單片機的智能節水控制系統結構如圖1所示。

圖1 智能節水控制系統結構

該智能節水控制系統不再采用簡單的數字芯片、模擬芯片進行系統控制,而是將STM32F103RCT6單片機作為核心控制芯片。智能節水控制系統設計包括相關硬件電路、軟件程序、云平臺的設計。

系統硬件電路主要包括單片機最小系統、電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、電磁閥模塊、人體檢測模塊等。系統軟件程序的設計主要包括單片機內部程序的設計、云平臺監控界面的設計。

該控制系統的最小系統主要有STM32F103RCT6單片機、時鐘電路、復位電路[2]。時鐘電路用來產生單片機工作時所必需的時鐘信號,單片機在時鐘信號的控制下,嚴格按照時序執行指令,使單片機能夠準確有序地進行工作。復位電路可以讓單片機完成系統的初始化,同時也可以在程序跑飛或者系統出現錯誤運行時,使單片機復位,重新運行程序。電源模塊主要給控制系統提供不同電壓的轉換;無線模塊主要實現控制系統和云平臺相關數據的上傳下達[3];時鐘模塊主要給整個控制系統提供精確的時間信號,可以使單片機在一年內不同的時間段里,完成不同的工作;按鍵模塊主要實現系統4種工作模式的切換;顯示模塊主要顯示控制系統的所有狀態信息;水流量檢測模塊主要完成各條支路的用水量檢測;繼電器模塊主要根據控制信號接通或斷開相關的電磁閥;電磁閥模塊主要控制沖水水道的通斷;人體檢測模塊用來檢測是否有人使用衛生間和是否向控制器發送信號啟動電磁閥沖水。

在該控制系統的電路中,單片機STM32F103RCT6是整個控制系統核心,主要通過運行載入的程序,進行整個系統信號的監測、處理和傳輸,對系統的控制情況起著決定性作用。通過對整個控制系統的控制,完成對衛生間坑位是否有人的數據采集、是否啟動電磁閥沖水操作、是否將相關數據上傳到OneNET云平臺上、將相關數據顯示在顯示屏上等操作。

2 系統硬件設計

本系統的硬件電路主要有單片機最小系統、電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、電磁閥模塊、人體檢測模塊等。

2.1 主要器件選擇

2.1.1 單片機選擇

考慮到整個系統設計所需要的端口、內部定時器、中斷系統以及相關串行口等單片機內部資源,本系統選用STM32F103RCT6進行整個系統的信號采集、處理、傳輸。

2.1.2 時鐘模塊選擇

時鐘模塊類型較多,主要有Wi-Fi智能授時時鐘模塊、DS1302/3231/1307實時時鐘模塊等。Wi-Fi智能授時時鐘模塊每天可以自動通過網絡對時,價格昂貴,DS1302/3231/1307等實時時鐘模塊是自帶電池的高精度計時模塊,價格便宜。本系統選用DS1302實時時鐘模塊。

2.1.3 Wi-Fi模塊選擇

Wi-Fi模塊類型較多,但適合做小系統聯網的是ESP8266 Wi-Fi模塊。該模塊體積小、引腳少,可以兼容3.3 V和5 V單片機系統,內置TCP/IP協議棧,采用串口與單片機(或其他串口設備)通信,能夠實現串口與Wi-Fi之間的轉換[4],支持串口轉Wi-Fi STA、串口轉AP的模式,從而快速構建串口—Wi-Fi數據傳輸方案,同時可以免費接入各種云服務器。本系統選用ESP8266 Wi-Fi模塊實現系統聯網和數據的傳輸。

2.2 硬件電路接口設計

2.2.1 單片機控制系統接口設計

該控制系統中單片機與其他模塊的接口如圖2所示,主要包括單片機與電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、人體檢測模塊接口的設計。

圖2 單片機控制系統接口

2.2.2 電源模塊接口設計

本控制系統是一套節水裝置模擬系統,由3節3.7 V的鋰電池提供12 V的直流電源,再由降壓芯片降為5 V,分別向各部分電路提供電源。電源模塊接口如圖3所示。

圖3 電源模塊接口

2.2.3 無線模塊接口設計

本控制系統具有聯網功能,采用ESP8826 Wi-Fi模塊實現系統聯網。系統中水流量數據、電磁閥工作狀態等數據均可上傳到OneNET物聯網平臺的監控界面上,同時也可以通過操作OneNET物聯網平臺監控界面的開關控制電磁閥的工作狀態。ESP8826 Wi-Fi模塊與單片機的接口如圖4所示。

圖4 ESP8826 Wi-Fi模塊與單片機的接口

2.2.4 時鐘模塊接口設計

該控制系統使用的時鐘模塊是DS1302實時時鐘模塊。DS1302實時時鐘模塊是一款自帶電池的高精度計時模塊,與單片機的接口如圖5所示。DS1302與單片機之間可以采用同步串行方式進行數據的通信[5]。DS1302實時芯片與單片機接口如圖5所示。

圖5 DS1302實時芯片與單片機接線

2.2.5 按鍵模塊接口設計

該控制系統使用的按鍵有6個,按鍵與單片機的接線如圖6所示。按鍵模塊主要是實現系統的自動沖水控制模式、手動沖水控制模式、遠程控制模式、故障模擬模式的切換,可以完成各種模式下的具體控制。

圖6 按鍵與單片機接線

2.2.6 顯示模塊接口設計

本控制系統顯示的參數較多,故采用TFT1.8寸顯示屏。在該顯示屏上具體顯示水流量傳感器檢測的瞬間水流量值和累計水流量值、Wi-Fi的聯網狀態、系統的工作模式、具體的時間、各個衛生間有無人情況等信息。顯示屏與單片機的接口如圖7所示。

圖7 顯示屏與單片機接線

2.2.7 水流量檢測模塊接口設計

本控制系統完成了一棟樓中的4個坑位相應的水路和1條總水路的水流量檢測,采用YF-S201水流量傳感器。系統共有5個水流量傳感器,分別檢測總水路上的水流量信息和4條支路上的水流量信息。水流量傳感器與單片機的接口如圖8所示。

圖8 水流量傳感器與單片機接線

2.2.8 繼電器模塊接口設計

本控制系統中5條水路的控制分別由5個繼電器控制5個電磁閥的通斷實現。單片機接收到人員使用完衛生間的信息或監控界面開關控制信息后,開啟相應的繼電器,控制相應的電磁閥通斷,進而控制衛生間相應坑位是否沖水。水流量傳感器與單片機接口如圖9所示。

圖9 水流量傳感器與單片機接線

2.2.9 人體檢測模塊接口設計

本控制系統具有人體檢測功能。該功能采用距離可調的對管反射型光電開關,可準確檢測人員是否離開坑位,確定是否沖水。人體檢測模塊與單片機接口如圖10所示。

圖10 人體檢測模塊與單片機接線

3 系統軟件設計

在本文設計的智能節水控制系統中,硬件電路的設計大大提高了衛生間沖水的效率,節約了水資源,而軟件程序的設計也是非常重要的。該系統程序設計主要涉及了主程序、串行通信子程序、Wi-Fi聯網子程序、MQTT物聯網子程序、中斷服務子程序、看門狗子程序、定時器子程序、數據上傳子程序、按鍵掃描子程序、數據下發子程序、水流量檢測子程序、人體檢測子程序、LCD顯示子程序、報警子程序、DS1302定時器子程序。從整體上來看,該系統主要按照系統聯網—模式切換—功能實現的步驟完成任務,實現節水系統的智能控制。

3.1 主程序設計

主程序主要實現了各電路模塊的初始化、鍵值的讀取、控制功能的切換、數據的顯示、電磁閥狀態檢測、人體檢測、Wi-Fi網絡連接檢測和執行。主程序流程如圖11所示。

圖11 主程序流程

程序初始化主要完成單片機的初始化、串行通信初始化、Wi-Fi模塊的初始化、連接云IoT平臺MQTT服務器的參數初始化、繼電器初始化、顯示模塊初始化、定時器和外中斷初始化、DS1302時鐘模塊初始化等工作。

3.2 子程序設計

串口通信子程序、Wi-Fi聯網子程序、MQTT物聯網子程序的相互配合,使數據通過Wi-Fi網絡上傳到OneNET平臺、操作從OneNET平臺的監控界面上通過Wi-Fi網絡下達到控制系統。

在中斷服務子程序中設計了串口2接收中斷函數、DMA1通道7中斷服務函數等中斷服務函數,可實時滿足智能控制系統的各種需求。

定時器子程序主要設置了2 s、3 s、30 s的不同定時,可滿足控制系統在不同工作下對定時器的需求。

看門狗子程序主要進行了喂狗的設置,保證控制系統出現意外的時候能自動復位,保證系統的穩定運行。

數據上傳子程序、數據下發子程序主要進行了系統的水流量、電磁閥工作狀態的上傳、電磁閥工作狀態的操作。

按鍵掃描子程序主要進行了控制系統功能的切換和電磁閥的通斷控制。

LCD顯示子程序主要進行了系統聯網情況、實時水流量數據、累計水流量數據、系統工作狀態、有無人員用水、故障系統的顯示。

水流量檢測子程序主要通過水流量傳感器實現了實時水流量和累計水流量的檢測。

人體檢測子程序通過中斷機制的應用,實時檢測了人員使用衛生間的情況,根據需要啟動沖水裝置。

報警子程序主要設置了電磁閥超時沖水的報警,通過該設置可以實時監測電磁閥的工作狀態是否正常。

在DS1302定時器子程序中,通過設置不同的時間段,實現不同時間段的不同沖水效果。使用密集時間段內感應短時快沖,密集時間段結束時長時沖洗,非密集時間段內感應正常沖水。

4 系統調試

本文設計的智能節水控制系統已完成實物模型的設計,調試包括硬件調試和軟件調試。硬件調試主要是系統通電運行程序后,根據具體的現象,不斷調整硬件電路的設計;軟件調試主要是在編程的過程中,合理地調配、使用單片機內部資源,根據單片機運行程序后顯示的現象,不斷地調整參數的設置、程序的設計。最終將設計合理的程序下載到實物模型中,實現目標功能。

經測試,該智能節水控制系統能準確地檢測到人員使用衛生間的情況、正確地開啟關斷電磁閥實現衛生間沖水控制、在設定的不同時間段內啟動不同的沖水控制策略、在TFT顯示屏上正確顯示系統的各種參數、正確地切換系統的各種工作模式、實現控制系統和OneNET物聯網平臺之間的數據傳輸和信號控制。智能節水控制系統的控制功能符合要求,實物模型如圖12所示。

圖12 智能節水控制系統的實物模型

5 結語

基于STM32F103RCT6單片機的智能節水控制系統設計,對于改變傳統的獨立式感應沖水控制系統具有很好的應用效果。該系統集成度更高、智能化更強、精準度更高、節水效果更好,具有一定的實用價值。