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一种基于STM32的温室远程监测和控制系统的设计
一种基于STM32的温室远程监测和控制系统的设计
沈丹 发表于
一种基于STM32的温室远程监测和控制系统的设计
沈丹 发表于
传统农业需要消耗大量的劳动力，生产效率低，急需要向现代农业的转变。温室技术作为现代农业的重要代表将作物的生长从自然环境独立出来，形成一个可以进行人工控制的半封闭系统。我国从20世纪90年代开始向温室技术发达的荷兰、美国等国学习，但是由于我国农业生产条件与国外情况不同，不能直接照搬国外的模式，而需要研发适合我国各地区生产条件的温室控制系统。
针对上述情况设计了一套温室的远程监测和控制系统。由于在各个环境因素中，空气温湿度对作物的生长具有较大的影响，所以系统选择对温室内空气温湿度进行监测和控制。传统的51系列单片机控制系统运算能力以及功能扩展能力差，PLC控制系统成本太高，所以选择了外设丰富、扩展性强以及成本较低的STM32单片机作为温室内的控制器。
1、系统总体设计
文中开发了一套基于STM32的温室远程监测和控制系统。通过利用STM32单片机作为温室内的控制器以及MFC编写的远程控制软件可以实现对温室内温湿度远程监测和控制。在STM32控制器设计中加入ENC28J60模块，使控制器可以接入网络，同时在STM32的程序设计中移植LwIP协议，使控制器可以通过TCP/IP协议与远程控制软件进行数据通信。
STM32控制器直接控制DHT11传感器和继电器模块，DHT11负责测量温室内温湿度，继电器模块负责控制温室内的加热系统和湿帘系统，改变温室内的温湿度。在VC6．0平台下利用MFC设计了简单易用的远程控制界面，可以远程监测温室内的温湿度，并对温室内设备进行控制，将控制过程中产生的数据保存到数据库中，系统整体框架如图1所示。
图1系统整体框图
2、系统硬件设计
2．1、核心处理器的选择
STM32具有丰富的外围设备，内置64K的静态ＲAM和512K字节的闪存存储器，多达112个GPIO端口，可以按要求配置成输入或输出各四种模式，共有7路通用DMA，负责存储器之间以及存储器和外设之间的直接数据传输，内嵌3个12位的模拟/数字转换器，1条I2C总线连接控制器和外围设备，2条SPI总线，负责一个主设备和多个从设备之间进行数据交换，可以外接以太网接口，3个USAＲT串口，1个SDIO接口进行存储器扩展以及1个JTAG接口可以用于连接计算机进行程序调试。
2．2、温湿度传感器的选择
对于温室内的空气温湿度测量，本系统采用的是DHT11传感器。DHT11中集成了数字采集模块，包括1个测温元件和1个电阻式感湿元件，它的抗干扰能力强、价格便宜、体积小、功耗低，使用方便，工作电压为3．5V。其主要参数如表1所示。
DHT11采用的是单总线数据格式，可以通过一个引脚进行数据的发送和命令的接收，本次设计采用STM32的GPIO_Pin_7引脚来连接DHT11。在STM32中央控制器向DHT11发送开始信号以后，DHT11从低功耗模式唤醒，进入高速模式状态，并对STM32的开始信号进行响应，双方确认以后，DHT11把测得的数据封装在数据包中发送到STM32控制器，发送完以后会触发采集信号继续进行数据的采集。在STM32中央控制器向DHT11发送结束信号后，DHT11停止测量数据，重新进入低功耗模式，DHT11和STM32之间通信一次的时间最大为3ms左右。
2．3、继电器模块的设计
设计中执行设备的状态是&二位&形式，即只有&打开&和&关闭&2种状态，可以通过继电器进行控制。本次设计采用的是电磁继电器，型号为欧姆龙G2Ｒ－1A-E。电磁继电器的组成部分有铁芯、线圈、衔铁和簧片，利用电磁效应通过在线圈两端加电压产生电流继而产生电磁力，对衔铁产生吸引力，控制开关。本次设计为每个执行设备连接一个电磁继电器。
2．4、网络接口设计
设计中采用STM32外接以太网控制器ENC28J60与远程控制软件进行通信。ENC28J60是美国微芯科技公司开发的，共有28个引脚，体积小、使用方便，价格便宜［9］。该芯片带有SPI接口，可以通过SPI接口与STM32控制器进行连接。ENC28J60的工作频率是25MHz，工作电压为3．3V。ENC28J60中的存储器以静态ＲAM方式实现。STM32通过使用SPI接口对ENC28J60芯片的寄存器写入控制参数和接收数据，实现以太网功能。
3、系统软件设计
3．1、LwIP协议的移植
LwIP协议是一种主要应用于嵌入式系统中的轻量级的TCP/IP协议。LwIP协议源码开放，在保持了TCP/IP协议的基本功能的前提下代码尽量精简、占用内存小、方便裁剪和调试［10，11］。LwIP在STM32上的移植工作主要包含2方面内容：一是修改文件ethernetif．c和文件sys_arch．c;二是编写网络驱动程序。
设计中采用ENC28J60在LwIP中用netif结构体来描述网络接口，通过对netif结构体中的各个成员进行赋值来实现网。netif结构体中定义了指向下个网络接口的指针、IP地址、网络掩码、网关以及用于实现以太网接收、发送数据包的函数等内容。在驱动中所要完成的任务就是实现网络的初始化、数据的接收发送以及终端等任务，最终通过硬件接口函数可以实现对硬件的驱动。
3．2、测量程序的设计
DHT11发送的数据包大小为40bit，包括测得的空气温度的整数部分8bit，空气温度小数部分为8bit，空气湿度整数部分8bit，空气湿度小数部分8bit，还有8bit是进行数据校验，大小为前面4个字节的和。
当DHT11进行接收主机命令和向主机发送数据时，GPIO_Pin_7引脚分别被配置成和上拉输入模式和推挽输入模式。其中STM32从DHT11读取数据的程序如下所示。
8DHT11_Ｒead_Data（u8*temp，u8*humi）
u8buf［5］;
DHT11_Ｒst（）;
if（DHT11_Check（）==0）
for（i=0;i＜5;i++）
buf［i］=DHT11_Ｒead_Byte（）;
if（（buf［0］+buf［1］+buf［2］+buf［3］）=
=buf［4］）
*humi=buf［0］;
*temp=buf［2］;
elsereturn1;
3．3、控制程序的设计
加热系统和湿帘系统通过继电器控制通断，两个继电器分别通过GPIOB的7和8两个引脚进行控制。引脚的输出模式配置为通用推挽输出模式，速率配置为2MHz。GPIO_SetBits函数使引脚输出高电平，继电器导通，控制相应的执行设备运行，GPIO_ＲesetBits函数使引脚输出低电平，将继电器断开，控制相应的执行设备关闭。STM32中的程序执行过程如图2所示。
图2 &STM32程序执行过程
3．4、远程控制软件的设计
文中设计的远程控制软件是在美国微软公司发行的VC6．0平台上利用MFC进行开发的，设计的主控制界面如图3所示。
图3主控制界面
从图3中可以看出主控界面主要包括实时监测模块和设备控制模块两大部分，实时监测模块主要包括对温室内温湿度进行上限和下限的设置，以及STM32控制器传送的实时数据的显示，可以选择将测得的数据保存到数据库中，并进行历史数据的查询。设备控制模块的主要功能是对温室内进行环境调节的执行设备进行控制，可以选择手动控制和自动控制2种模式。远程控制软件与STM32F103VET6中央控制器之间采用TCP/IP协议进行通信，规定了设备之间进行数据传输的标准格式。2个设备在进行数据传输时会建立起一条虚拟的网络通道，数据和控制命令封装成数据包的形式在这条通道上进行传输。远程控制软件与STM32通信的过程如图4所示。
图4 远程控制软件与STM32通信过程
设计中采用SQLSever2008数据库保存系统运行过程中产生的温室环境数据和执行设备控制信息等数据。用户可以对数据库中的数据进行保存、查询、删除和维护操作，准确快速地获取所需要的数据。
文中利用STM32单片机作为温室内的控制器，实现了通过网络对温室内温湿度的远程测量和控制。由于温室内的CO2浓度和光照强度对植物的生长也有影响，所以可以对系统进行功能扩展，控制更多的环境变量，使系统可以更好地营造植物生长的环境。
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2.1.10 稳压芯片
气相色谱仪对电压的稳定性要求较高，因此采用了两款稳压芯片TL431提供10V稳压及AS1117提供3.3V稳压。
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2&O,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。
AS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出1A电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117除了提供多种固定电压版本外（输出可以为1.8V，2,。5V，3.3.V，5V），还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为1.25V-13.8V。
2.2系统总体框架
该系统是为满足气相色谱仪控制的要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现气相色谱仪控制的要求来确定的。根据系统要达到的总体功能，系统主要负责按键的检测，液晶的显示及与上位机的通信；控制各个功能模块的工作，温度的采集计算和控制，压力流量的采集等。
1、液晶，蜂鸣器，气阀由CPU的IO口直接控制
2、键盘值由芯片ZLG7289B来采集。这款芯片最多能识别64个按键
3、电路扩展了一个串口，用于上位机控制，电平转化芯片用max232.
4、扩展了一片EEPROM，每片容量为64K，由CUP的IO口控制，用了IIC总线控制
5、CPU芯片通过通过74HC595芯片，来扩展IO口，用74HC595扩展的IO口来控制FID，ECD，TCD；
6、采温部分，用PT100作为温度传感器，用PT100组成桥式电路，把温度转化为电压，在经过LM324放大，送给CPU的模拟输入口。Pt100的恒压电路有TL432组成；
7、压力模拟量经过LM324放大后，传给CPU模拟口。流量的模拟量直接送给CPU的IO口，这两部分的恒压电路用TL431组成；
8、电机部分用TL521光耦芯片来隔离CPU的IO口和步进电机的接口，未用CPU的IO口直接控制步进电机接口，这样就起到了安全和抗干扰的作用。用ULN2803芯片来反相驱动电机；
3 系统的硬件设计方案
本章分节介绍了各个控制模块的硬件设计与实现方案，系统硬件按功能划分为以下几个功能模块： 595串转并模块、直流电机模块、电磁继电器模块、压力流量传感器模块、AD转换芯片模块、上位机通信模块、键盘扫描芯片模块、EEPROM掉电保护及液晶字库存储模块、液晶显示模块、稳压芯片模块。在各个模块设计中详细叙述了其工作原理、设计思想以及实现方法。
3.1单片机模块设计
&& 单片机作为系统的微处理器，其性能对整个系统来说非常关键。现在，全球有很多公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，根据实际系统的需要和产品的性价比，本系统选用microsoft公司生产的32位单片机PIC32F460F作为系统的控制芯片。Microchip公司的PIC32MX4系列是高性能通用和USB的32位闪存微控制器(MCU),下面介绍下它们的主要功能[3]：
&& 带5级流水线的MIPS32& M4K& 32位内核
&& 最高80 MHz的频率
&& 零等待状态闪存访问时性能为 1.56 DMIPS/MHz（Dhrystone 2.1）
&& 单周期乘法单元和高性能除法单元
& MIPS16e&模式可使代码压缩最多40%
&& 两组各32个32位内核文件寄存器，可减少中断延时
&& 预取高速缓存模块可加速从闪存的执行速度
&& 工作电压范围为2.3V至3.6V
& 32 KB至512 KB的闪存（附加一个12 KB的引导闪存）
& 8 KB至32 KB的SRAM存储器
&& 引脚与大部分PIC24/dsPIC& 器件兼容
&& 多种功耗管理模式
&& 多个具有独立可编程优先级的中断向量
&& 故障保护时钟监视器模式
&& 带有片内低功耗RC振荡器的可配置看门狗定时器，确保器件可靠工作
& 2个编程和调试接口：
- 双线接口，可与应用程序进行非抢占式访问和
实时数据交换
-4线 MIPS& 标准增强型JTAG 接口
&& 基于硬件的非抢占式指令跟踪
&& 符合IEEE标准1149.2（JTAG）的边界扫描特性
&& 最多16路通道的10位模数转换器：
- 转换速率为1000 ksps
- 可在休眠和空闲模式下进行转换
PIC32MX460F引脚图如下：
3.2 595串转并模块控制模块设计
3.2.1 595串转并模块原理及作用
在本系统中，由于控制模块较多，单单三个检测模块（FID、ECD、TCD）就需要超过72个控制口，因此使用74HC595来进行串并转换，节省IO口的资源。使用一个IO口连续送出24位，由三个74HC595级联后控制各模块。
3.2.2 模块设计与实现
图2 74HC595控制模块电路图
如图所示，此为三个检测模块中的一部分，由三个595级联而成，单片机只提供三个IO引脚，就可以控制24位来完成FID模块的功能。
74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7&）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。3.3电磁阀控制模块设计
3.3.1电磁阀原理及其作用
电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁效应进行控制，主要的控制方式由三极管、继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
电磁阀从原理上分为三大类：直动式、分步直动式和先导式。本设计要控制的电磁阀为直动式电磁阀其原理如图2-4所示：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
图3 单电控直动式电磁阀动作原理图
1-电磁铁；2-阀芯
3.3.2模块设计与实现
本系统需要控制多个电磁阀，作为气相色谱仪灵敏度，极性，粗条细调等等一系列功能的实现。本模块的设计如图2-5所示，通过三极管共射放大电路放大驱动信号，共四路分别驱动四个电磁阀。本设计只需要定时控制电磁阀的开关，三极管驱动已经可以达到系统要求，故不必用继电器电路来控制。有电磁阀控制部分的电路图可以看出电磁阀的供电方式为正极为VCC2，但通过流经三极管后负极为GND，故不能形成回路，为了解决这一问题在GND和GND2之间加一个大电流二极管，如图2-6所示，这样既能使电磁阀正常工作，又保证了电磁阀工作对单片机系统供电的干扰。
图4 电磁阀控制电路图
图5 &回路二极管电路图
3.4电机控制模块设计
3.4.1直流电机原理及其控制方式
直流电动机的工作原理[8]如下：如图2-7（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图2-7（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
图6 直流电动机的原理图
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。通电线圈在磁场中受力的作用而转动，在越过平衡位置时换向器改变线圈中电流的方向从而使其能连续的转动下去。&实际中的直流电动机转子上的绕组不是由一个线圈构成，而是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。
直流电机的控制一般采用继电器、晶闸管等控制，此处需要控制电机的启动、停止和正反转，但控制频率不高，且不要求调速，故选用继电器控制。每个电机采用两个直流12V继电器分别控制双相电源，使其启动、停止和正反转。
3.4.2模块设计与实现
在本控制模块中直流电机用于控制按摩椅后背的前后移动和腿部的上下移动，需要较为平稳的运动，故采用24V直流电机。由于系统不需要调速，只需控制电机的正反转，故采用继电器控制电源即可满足要求。电机正反转的实现是通过电源反接实现的，所以直流电机的两根电源线都要有接电源正负的机会，每个电机需要两个继电器来控制两根电源线，只有这样才能有效地控制电机的正反转。
图7 电机控制电路图
如图2-8所示，接通过继电器K1闭合接通电源，K2断开接地，电机1正转，继电器K1断开接地，K2闭合接通电源，电机1反转，其他状态电机停止；同理，K3、K4控制电机2正转、反转和停止。电机控制电路中并联电容是为了让电机产生一个启动力矩，这样电机通电后能够确保自动转起来。另外，直流电机在旋转时，转子的电流是经电刷和整流子接触，供给转子绕组，在工作时，接触点有火花，并产生电磁波，并联电容也可以消除或减小电磁干扰。
3.5其他模块设计
3.5.1压力流量传感器模块设计模块设计与实现
两路流量表模拟信号输入：流量1：（氮气/氢气）；流量2：（氮气/氢气）；
两路传感器采用霍尼韦尔AWM3100V，3PIN，工作电压10V，无气体输入时 Output voltage=1.00_+0.5VDC，输出电压和输入气体流量成线性正比例变化，注意氮气/氢气比例不同需要修正，空气=氮气=1.0；氢气=0.7
两路压力表（霍尼韦尔26PCF，4PIN，工作电压10V，可测量压力范围0-100psi和输入气体流量成线性正比例变化，满量程是输出100mv,灵敏度1mv/psi）
图8 压力流量控制电路图
本系统共采用31个按键，按键较多，故采用扫描芯片节约IO资源，同时在主控板上留有线控器接口，可以在必要时进行功能扩展，可随时改为矩阵式键盘。提高了系统的可扩展性和可升级性。
3.5.3蜂鸣器电路设计
蜂鸣器电路是用来报警或提示用的，蜂鸣器采用5V直流蜂鸣器，采用三极管驱动，控制电路图如下
图9 蜂鸣器电路图
3．5.4 EEPROM模块电路设计
采用AT24C512来存储液晶字库，使用IIC总线。
3.6 本章小结
在硬件电路设计过程中，尽量采用典型电路，典型电路的资料比较好搜集，并且电路的正确性和可靠性都得到了保证，也缩短了硬件的调试时间。但是在采用典型电路的同时，也要结合本设计的实际情况将电路进行改动。因为本论文是方案设计，故只列举了简单的原理图，下一步将在毕业设计中具体的实施。
4调试与总结
系统采用Microchip 的PIC32系列单片机作为微处理芯片，根据检测到的的按键状态控制相应的功能模块，来进行FID，ECD，TCD等检测。本设计的重点在于用单片机Microchip 的PIC32系列单片机来完成整个系统的控制。包括按键、电机、串并转换；液晶显示；EEPROM的存储（包括液晶字库和掉电保护）；温度的设定、LabView回显；气压流量的测量及回显；各模块的控制（包括FID，ECD，TCD）。
仪器采用PIC32系列单片机作为微处理芯片，用PT100作为温度传感器，采用简单的两线结构，再通过24位高精度AD-ADS1248组成的差分电路，把温度量转化成数字量。用单片机控制可控硅的通断来控制电热丝的加热和停止。硬件上实现了控温精度做到误差低于+_0.1&C，在软件设计中实时与上位机通信，使用LabView做了一个操作界面，通过串口连接到电脑，使气相色谱仪系统的控制不仅可以通过真实的按键，也可通过电脑进行远程控制，方便用户。通过移植ucos操作系统，在操作系统的支持下采用模糊PID算法，可以实现对PID算法的比例、积分和微分参数的自适应调整，保证控温精度误差低于+_0.1&C，这种精度在国内是比较先进的。
使该系统具有以下特点：
1.可靠性：系统的可靠性是第一位的。在设计中必须充分考虑系统的可靠性。该监控系统具有良好的隔离性能，控制电路电源和设备工作电源隔离；
2.通用性：控制系统控制的电机、电磁阀等都为自动化设备中较常用元件，可以通过软件升级的方式成为其他设备的控制板；
3.经济性：该系统采用实用的技术和设备达到了降低整体工程造价的目标，使该系统具有很好性价比；
4.实用性：采用通用控制手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性，并做到系统工作稳定，维护简单。
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全球的内存市场主要被三星、SK Hynix和美光三家公司垄断，他们三家加起来的份额高达95％，中国要想在内存市场突破封锁并不容易。
发表于： 10:25:05
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