基于STM32的多通道温湿度测量仪设计研究_王小龙.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期基于 STM32 的多通道温湿度测量仪设计研究王小龙（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）温湿度是测量方面非常关键的可测量因素。不管是人们赖以生存的基本居住条件，或是工农业产品生产、军事、气象观测等行业，都必须对温度与湿度实施检测与管理。而由于电子、计算机科学、通信技术、传感器设备和传感技术等发展，检测行业对温度与湿度的测量能力已经实现了跨越式的提升。在现代社会，温湿度测量可应用的范围非常大，例如，探究救灾机器人、医院、工业控制和文物保护等领域都对温湿度测量有着一定的需求。基于此，研究开发出一款成本低、可靠性优越的温湿度系统便显得尤为重要。此次设计中，将以 STM32 为基础，展开多通道温湿度测量仪的硬件、软件设计工作，并进行相应的调试，以便于获得可用于实践工作中的高可靠性测量仪。1温湿度测量仪研究进展现代人要求的基本生活条件越来越严格，特别是温湿度的问题直接关系到整个社会，甚至威胁到人类和其他动植物的生存条件。故而在农业、林业、环境保护等工作中，往往要求获取精确的环境温湿度测量信息。邓芳明等以射频识别技术传感标签为基础研发出了一种农田土壤环境监测方式，并设计了一种无源射频识别温湿度传感标签。张露荷等对环境的温湿度传感器信息予以提取，以探讨温湿度传感器在高寒草原作者简介：王小龙（1988-），男，工程师。研究方向为温湿度计量校准。摘要：在土壤温湿度监测领域，存在相关装置仪器的通道较少，人机交互性不理想等情况，研制多通道并行处理的土壤温湿度检测装置十分重要。采用在装置中设置温湿度测量通道 8 个，每个都是由温湿度 2 个传感器构成。湿度传感器和 PCF8591 进行连接处理，能够完成 A/D 转换的功能，测量获取的数值信息会传达到触摸屏上。借助按键进行设置，以合理调节温湿度报警值。在装置研制过程中用 STM32 单片机、UCOS 操作系统，二者可以确保多任务并行处理的功能得以实现。结果表明，所有的测量任务的优先级一样。在 STemWin 的基础上，对人机界面加以设计，并利用任务标志变量 TASK-FLAG 进行记录，从而获得所有任务的状态情况。装置调试结果显示，系统在运行方面可表现出高运行性，测量精度优良，在土壤温湿度检测中可以发挥出较为突出的作用效果。关键词：温湿度；DS18B20；PCF8591；STM32；UCOS中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0119-04Abstract:In the field of soil temperature and humidity monitoring,there are few channels of related devices and instruments,and the human-computer interaction is not ideal,so it is very important to develop a soil temperature and humidity detectiondevice with multi-channel parallel processing.Eight temperature and humidity measurement channels are set in the device,each ofwhich is composed of two temperature and humidity sensors.The humidity sensor is connected with PCF8591,which can completethe conversion function of ACMD,and the numerical information obtained from the measurement will be transmitted to the touchscreen.With the help of the button setting,in order to reasonably adjust the temperature and humidity alarm value.In the processof device development,STM32 single-chip microcomputer and UCOS operating system are used to ensure that the function ofmulti-task parallel processing can be realized.The results show that all measurement tasks have the same priority.On the basis ofSTemWin,the man-machine interface is designed,and the task flag variable TASK-FLAG is used to record the status of all tasks.The debugging results of the device show that the system shows high operation and excellent measurement accuracy,and plays aprominent role in the detection of soil temperature and humidity.Keywords:temperature and humidity;DS18B20;PCF8591;STM32;UCOSDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.029119-2023年9期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application上土地氮矿化监测中的作用。已有学者对不同类型的土壤温度、湿度进行了计算，并对不同类型的覆盖方法进行了研究。在工程施工中，土地的温度、湿度都是采用电子仪器进行监测的。侯伟等采用虚拟仪器方法，用51 单片机建立了一个作用于农田的土壤温湿度系统，完成了对单块土地温湿度的计算和显示，但系统的测试通道数目较小，且并行处理功能较弱。将 STM32 单片机和 51 单片机以及 DSP 处理器进行相关比较，STM32 单片机在计算力、资源方面的优势更为显著。王子权等曾经研究借助 PWM 输出功能以便于完成调节LED 灯亮度的功能。黄琦等采用 STM32，根据分布式光纤拉曼测温系统中定标光纤、雪崩光电二极管的温度控制需要，特意设计了一个精密恒温控制管理系统。2系统硬件设计2.1系统构成系统的整体构成中重点涵盖的内容有 8 对传感器，即温、湿度传感器各有 8 个，温度传感器主要借助单总线从而实现和单片机的连接；PCF8591A 对应的是湿度传感器的前 4 个，PCF8591B 对应的是湿度传感器的后 4 个。PCF8591 利用自身的 IIC 总线实现和单片机的相连。单片机在正常运行期间，需要有基本电路进行支撑，其中复位以及晶振电路均属于基本电路的范畴，设置串口电路的原因主要有 2 个方面：一方面是在程序编译完成并制作为 HEX/BIN 文件后，将程序存入单片机芯片中；另一方面是要和上位机进行正常的通信交流。利用按键的形式对温湿度的报警值进行有效调控。针对装置中的 8 个传感器组，都要为其增设 LED 指示灯，当灯亮起时，则意味着相应的传感器组处于工作状态。除此之外，还需要将报警信号的功率放大，这一工作的目的是促使报警信号能够及时响起，以便于相关工作者可以尽快感知到异常情况。2.2温湿度传感器2.2.1SEN0114 土壤湿度传感器SEN0114 湿度传感器，从本质上来讲属于一种较为简单的水分传感器，其作用是能够测试土壤中的含水量。如果土壤出现缺水问题，传感器输出值将相应降低，否则将增加。借助于四线制系统，其中 VCC 和GND 分别代表电源的高电平和低电平。若检测的湿度参数值和设定值之间有出入，低于设定值，则 DO 便会输出高电平，反之则会输出低电平。AO 相当于湿度模拟量的输出端，这一端口和 PCF8591 有所连接，二者连接的目的在于完成模拟量向数字量变换。2.2.2PCF8591 转换芯片A/D 转换模块中包括 2 个 PCF8591 芯片，并且其芯片中有 IIC 总线，总线占据了 STM32 的 GPIO 端口，故而 2 个芯片都会用到 IIC 总线。芯片中包含的 A0、A1 以及 A2 都是器件地址配置端口。如果 PCF8591A配置为 001 的情况下，则 A0 便会输出高电平，其余 2个便会输出低电平。对于 PCF8591B 而言，当其配置为000 的情况下，这几个端口都会输出低电平。STN32其能够借助 IIC 通信技术实现连接操作，转换芯片的模拟量输入端口是 AIN0AIN4，基于这一情况来看，PCF8591A 以及 PCF8591B 都会和 4 个湿度传感器相连接。2.2.3DS18B20 温度传感器这一传感器的电路较为简单，并且在工作状态下表现出的温度测量精确性比较优良，其按照单总线通信协议运行工作，能够借助 STM32 的通用 GPIO 引脚完成和该传感器实现通信。该传感器共包含 8 个单总线引脚，分别为 PB0、PB1、PC5、PC6、PA0、PA1、PE2 和PE3。2.3触摸屏设计过程中，将触摸屏的大小选定为 4.3 英寸，类别为电容型，触摸屏的分辨率参数为 800480 像素，该显示屏在显示信息时，应用的是 16 位真彩。该触摸屏和电阻类型的触摸屏相比较来讲，前者仅需工作人员轻微用手指触碰便可以激活，多点触摸的难度等级比较小，其应用的是钢化玻璃材料，硬度比较高，不易损坏，可以使用较长一段时间。2.4按键设计在设计按键的过程中，一共设计了 7 个按键，其中包括 1 个复位按键、3 个湿度按键以及 3 个温度按键。每个按键代表的含义各不相同，复位按键是将原先设置的参数归为初始设定值。3 个湿度按键分别为湿度10、湿度1、湿度0.1，这 3 个按键的含义分别代表120-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期的湿度变化率为 1、0.1 以及 0.01。3 个温度按键的含义与湿度按键相似，在此不作过多阐述。2.5功率放大电路通过 D2822A 的辅助，可以实现对单声道音频功率的放大，从而达到提高系统噪声的目的。如图 1 所示，输入端为 Input，这一端口可以实现和音频设备的连接。图1音频功率放大电路3系统软件设计系统的设计工作包括任务组态、人机界面设计等。3.1任务配置系统任务主要包括：任务创建功能的启动任务、触摸屏任务的触控任务、人机界面的显示与刷新任务、报警任务 boom_task、按键的检测任务 key_task、系统工作指示任务 led_task、温湿度测量任务 THmer_task1THmer_task8。3.2人机界面设计人机界面的设计工作十分重要，其设计质量的高低直接关系到系统工作效率。在本设计中，主要设计了2 种界面，一种是报警值设置界面，另一种是参数值显示界面，这 2 个界面不仅是相互独立的，而且也是互相关联的，在设计期间，需要考虑到界面切换的问题，这样做是为了更好地进行参数设置以及参数观察。3.2.1报警值设置界面在设计人机界面时，需要将温湿度报警值设定为系统初始化界面，也就是在系统启动之初，便会首先进入到这一界面中来，不用工作人员进行相应的操作，只要启动系统，该界面便会展现出来。3.2.2参数值显示界面这一界面的主要作用是能够展现 8 个通道中的温湿度参数变化情况。如果监测到数值后，