宋江明，劉心蕊，張銘朗，何英昊

（大連理工大學城市學院，遼寧大連 116600）

0 引言

對環(huán)境溫濕度的檢測在農(nóng)業(yè)大棚、糧倉存儲及呼吸睡眠等都有重要的作用，尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面。我國是農(nóng)業(yè)大國，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本目標，也是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本方向。目前，大多數(shù)農(nóng)場還是通過老式的溫濕度計監(jiān)測環(huán)境狀況，由工人不停地循環(huán)查看和調(diào)整外界環(huán)境來維持理想狀態(tài)。這種方式不僅浪費勞動力，而且人工調(diào)整的外圍環(huán)境波動較大，會對生活生產(chǎn)造成一定的影響［1］。

市場上普遍的監(jiān)測系統(tǒng)大部分都是基于以MCU-51 為處理器的8位單片機，雖然也實現(xiàn)了實時監(jiān)控，但由于8 位處理器的處理速度和內(nèi)存的限制，外接的傳感器極為有限，而且程序不夠穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)程序卡頓、系統(tǒng)崩潰等不足。針對以上問題，本文設計并實現(xiàn)了一款基于STM 32的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM 32 芯片作為核心處理器，DHT11 溫濕度傳感器模塊作為檢測傳感器，并由OLED 顯示屏進行顯示。STM32處理器為16位處理器，通用版有144 引腳，若加上外圍電路，可以實現(xiàn)對大農(nóng)場各個位置的全方位監(jiān)控［2］。DHT11溫濕度傳感器與同類處理器相比，以價格低廉、監(jiān)測靈敏、體積小、應用環(huán)境廣泛等優(yōu)點在市場上得到廣泛應用［3］。投入到實際生產(chǎn)生活中，可以實現(xiàn)一個控制臺、多個監(jiān)測點、實時反饋、適度調(diào)整等功能［4］。

1 整體電路設計

整體電路如圖1所示，由4部分構成：傳感器外接電路；時鐘晶振電路；供電、降壓、穩(wěn)壓電路；復位和下載電路。傳感器外接電路是用于DHT11 溫濕度傳感器和OLED顯示模塊與處理器構成聯(lián)系，建立信息交流通道［5］；時鐘晶振電路為處理器提供“脈搏”，保證整個系統(tǒng)正常運行；供電、降壓、穩(wěn)壓電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定、電壓合適的電能；下載電路用于給處理器下載程序不用依靠核心板，復位電路用來對整個系統(tǒng)的重啟。

圖1 整體電路圖

2 硬件設計

圖2所示為硬件設計圖。硬件由DHT11 溫濕度傳感器、OLED顯示屏及STM32 芯片構成，系統(tǒng)應當按照硬件設計圖建立電氣聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 硬件設計圖

2.1 STM 32 芯片

STM 32系列32位Flash微控制器是基于ARM CortexTM-M的處理器，以為MCU用戶提供新的開發(fā)自由度為宗旨。最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz，片上集成32 ～512 kB的Flash存儲器，6 ～64 kB的SRAM存儲器。STM 32包括一系列的32位產(chǎn)品，保持了高集成度的同時，還保留了易于開發(fā)的特點，將高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、低功耗與低電壓操作等特性集于一身［6］。

2.2 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度傳感器是一款具有已校準數(shù)字信號傳輸?shù)臏貪穸缺O(jiān)測兩用傳感器。它擁有專用的數(shù)字模塊采集技術及溫濕度傳感技術，具有高可靠性和長期穩(wěn)定性，成本低廉，具有相對濕度和溫度測量，響應快，抗干擾性強，信號傳輸距離長，數(shù)字信號輸出，精確校準。

2.3 0.96 寸OLED顯示屏

相比較傳統(tǒng)的LCD 12864 顯示屏，OLED 屏無需背光，顯示單元能自發(fā)光，功耗低。像素點密集，更利于人眼觀察。采用IIC通信方式，占用的IO口少，響應速度快，畫面不會出現(xiàn)卡頓或延遲。制作工藝簡單，成本低。

3 軟件設計

3.1 IIC總線

本系統(tǒng)OLED采用IIC 總線［7］與微處理器進行通信。IIC總線有一條時鐘線SCL，一條信號線SDA。所有接入到IIC總線設備上的串行數(shù)據(jù)線SDA都接入到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL 接入到總線的SCL 上。通常主機都是微處理器，總線的數(shù)據(jù)傳輸均由主機控制。被主機尋訪的設備稱為從機，每個接入IIC 總線的從機設備都有且只有唯一地址，以便于主機的尋訪。IIC總線上可以接入多個微處理器和各種外圍設備，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，任意一時刻總線只能被某一臺主機控制，各主機應在總線空閑的時候發(fā)送啟動數(shù)據(jù)，開始進行尋訪。

3.2 單總線協(xié)議

本系統(tǒng)DHT11采用單總線協(xié)議［7］與微處理器進行通信。單總線協(xié)議主機和從機通過一根信號線通信，它既可以傳輸時鐘，又可以傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可雙向傳輸，一個主設備可以擁有一個或多個從設備。與IIC 協(xié)議相仿，每個從機有唯一地址以供主機尋訪并通信。

3.3 程序框圖

圖3所示為程序框圖。軟件的重點是對溫度、濕度的讀取和處理。系統(tǒng)上電后，先對各個模塊進行初始化，然后從DHT11溫濕度傳感器模塊中讀取數(shù)據(jù)，處理器內(nèi)部進行數(shù)據(jù)的整理和轉換，將二進制數(shù)據(jù)轉換成10進制小數(shù)點后一位數(shù)據(jù)，轉換完成后，發(fā)送到OLED顯示模塊進行顯示。

圖3 程序框圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 硬件調(diào)試

在本系統(tǒng)中，硬件部分首先通過Altium Designer 19 電路板繪制軟件完成對電路的繪制［8］。為了使制作的電路板上的電路走線清晰明了，器件布局合理，在實現(xiàn)基本功能的同時，電路板應盡量美觀。供電、降壓、穩(wěn)壓電路如圖4 所示，12 V電壓進入該電路后，通過LMS2596降壓芯片，輸出5 V電壓，再通過LM1117降壓芯片，輸出3.3 V電壓，并利用電容的充放電原理，進行對電源的穩(wěn)壓，再輸入到各個模塊。時鐘晶振電路、下載電路、復位電路如圖5 所示，晶振電路由外部晶振和低速外部晶振構成，為STM 32 芯片提供“脈搏”，保證系統(tǒng)的正常工作；下載電路預留下載接口，保證程序的下載；復位電路由開關、電阻和電容構成，用于必要是對系統(tǒng)的重啟。傳感器外接電路如圖6 所示，預留DHT11溫濕度傳感器及OLED顯示屏的外接接口，便于與處理器建立電氣聯(lián)系，傳輸數(shù)據(jù)。電路板制作完成后，首先測試電路是否導通，其次檢查電路設計是否合理規(guī)范且正確。檢查無誤后，硬件調(diào)試完成。

圖5 時鐘晶振電路、下載電路、復位電路

圖6 傳感器外接電路

4.2 軟件調(diào)試

在軟件調(diào)試中，首先在STM 32 開發(fā)板上實現(xiàn)對DHT11溫濕度傳感器模塊的數(shù)據(jù)讀取，圖7 所示為在上位機上顯示數(shù)據(jù)，以及利用OLED顯示模塊對數(shù)據(jù)顯示的操作，以便于后期將程序移植到獨立系統(tǒng)之中。

圖7 串口調(diào)試助手顯示數(shù)據(jù)

4.3 整體調(diào)試

在分別進行硬件調(diào)試與軟件調(diào)試后，將兩者相結合共同調(diào)試，其中要注意軟件程序是否與硬件電路相吻合，有無數(shù)據(jù)口錯誤的情況出現(xiàn)。圖8所示為整體調(diào)試圖。

圖8 整體調(diào)試結果

5 結束語

針對以51單片機為核心的溫濕度檢測系統(tǒng)存在的問題，本文設計并實現(xiàn)了一款基于STM 32的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM 32芯片作為核心處理器，DHT11 溫濕度傳感器模塊作為檢測傳感器，并由OLED 顯示屏進行顯示。實驗結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度、濕度實時監(jiān)測，并且該系統(tǒng)具有設計簡單、可靠性高、監(jiān)控數(shù)據(jù)準確、易于安裝、經(jīng)濟實用等特點，在生活、生產(chǎn)、工業(yè)等領域中具有一定應用價值。如將該系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)大棚時，實現(xiàn)實時檢測的同時，也可借助WIFI模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測，真正做到基于互聯(lián)網(wǎng)+的農(nóng)業(yè)。