毕业设计（论文）-静电纺丝环境监控系统设计.docx

大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）静电纺丝环境监控系统设计学 院（系）： 信息与通信工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2014年6月6日 大连民族学静电纺丝环境监控系统设计摘 要当今纳米科技已更广泛的应用于各研究领域，更多的人开始关注制备连续微纳米纤维的静电纺丝法，静电纺丝法是通过高压静电发生器产生的电场力拉伸聚合物溶液或熔体来制备超细纤维的重要方法，通过此方法获可以得连续微米级别以下的超细纤维，通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，通过静电纺丝方法制备得到的纳米纤维，具有较小直径的纳米尺寸，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙1。在研究中发现环境温湿度的改变对纤维直径及其形态结构的影响很大，所以在工业生产中对其环境温湿度相对恒定的控制具有极大的意义。本系统设计了一种基于STM32的温湿度采集控制系统，该单片机是一款高性能的32位机，具有丰富的硬件资源和非常强的抗干扰能力，特别适合构成智能测控仪表和工业测控系统。系统以STM32F103RBT6单片机作为微控制器构建数字温湿度控制器，通过温湿度传感器采集到的数据与规定数据进行对比，完成对现场设备的控制，从而保证温湿度指数相对恒定，同时将采集到的数据传输到PC机，PC机将采集到的数据信息转换为数字或图表等，显示并且保存。系统主要包括：数据的采集和处理，反馈执行部分，人机交互部分，上位机的通讯。关键词：静电纺丝；STM32；温湿度控制AbstractNanotechnology today has become more widely used in various research areas, more people are concerned about the continuous preparation of micro electrostatic spinningnanofibers, electrostatic spinning method is the electric field strength generated by the high-voltage electrostatic generator stretched polymer solution or Important method to prepare a melt of the ultra-fine fibers, can be obtained by this method for the following consecutive micron ultrafine fibers by the electrostatic spinning method can be prepared by a variety of nanofibers by electrostatic spinning nanofibers prepared by the method, nano-size having a small diameter and high surface area fibers are formed between the small pores 1. Found a significant impact on changing the temperature and humidity of the fiber diameter and morphology, and therefore have great significance relatively constant temperature and humidity control in industrial production in their studies.The system is designed to collect temperature and humidity control system based on an STM32, which is a high-performance single-chip 32-bit machine, with a wealth of hardware resources and a very strong anti-interference ability, especially for composing intelligent measurement and control instruments and industrial monitoring and control system . System as a single chip microcontroller STM32F103RBT6 building digital temperature and humidity control, collected by temperature and humidity sensor data to compare with the provisions of the data, complete the on-site control equipment, thereby ensuring a relatively constant temperature and humidity index, while the collected data transmitted to the PC, PC to collect machine data is converted to digital information or charts, displayed and stored. The system includes: collection and processing of data, feedback perform communication part, human-computer interaction part of the host computer.Key Words：Electrostatic spinning; STM32; Temperature and humidity control目 录摘 要IAbstractII1.绪论11.1课题研究的背景11.2静电纺丝技术应用及发展前景11.3课题研究的意义22.系统方案分析32.1控制系统的论证与选择32.2系统各部分的论证与选择42.2.1单片机的选择42.2.2显示器的选择52.2.3报警系统的选择62.3系统设计目标及技术要求63.硬件系统设计73.1STM32微处理器73.2最小系统83.3传感器电路93.4电源电路123.5反馈调节电路133.6报警电路143.7显示电路143.8通讯电路153.9时钟电路164.系统软件设计194.1主程序模块程序设计204.2显示程序设计214.3传感器模块程序设计214.4 STM32与PC机通讯软件设计235.系统综合调试与测试数据295.1元件好坏的检查295.2元件安装检查295.3布线检测295.4上电调试295.5数据发送30结 论31参 考 文 献32附录A系统各部分原理图33附录B主要源代码34致 谢39- 41 - 1. 绪论1.1课题研究的背景静电纺丝技术是一门交叉学科技术，至今人们对它的研究还处于萌芽阶段，需要更多的科学爱好者为之奋斗，Formalas曾在1934年用过静电推力的作用制备出聚合物纤维，并随后进行了专利的申请，被视为静电纺丝技术的鼻祖。由于液体在电场力的作用下会发生喷射现象，进而引起了人们对静电纺丝的研究兴趣。Raleigh在1882年实验发现，随着电场力的增强，液滴被分散为无数小颗粒，从而导致其原本状态被破坏，这种不稳定现象后来被人们称为“Raleigh Instability”。随后，1915年泰勒对电场力作用下液滴的分裂问题进行了研究和实验，随着电场力的增强，在与表面张力等值的时候形成49.3的圆锥，被称为Taylor锥。至此，由于数位科学家的不懈努力，人们对液体带电颗粒在电场力作用下其运动及形态变化有了初步的认识，液体的电喷技术随后被引入制作纤维形成了早期的静电纺丝技术。之后，几位教授进一步完善了高分子材料相关的静电纺丝技术基础2 。目前，静电纺丝技术的局限性仍十分巨大，仅从部分角度进行了分析，近年来，制备纳米纤维的这种技术由于纳米技术的发展也得到了长足的发展3。国内对此研究甚少，中国纺织科学研究院几位学者采用过静电纺丝法，纺制纳米纤维聚丙烯腈纤维毡。首先受限于国人对此学科知识的了解，其次部分实验仪器难以达到静电纺丝工艺的工业标准，给我们带来了许多困难，毋庸置疑的是通过我国学者的努力，中国静电纺丝技术一定会有迅猛的发展4。1.2静电纺丝技术应用及发展前景近年来，人们对纳米技术的研究日趋成熟，而随之而来的是作为其制造技术的电紡技术得到了完善和发展，对其相关学科的发展也得到了促进作用，尤其在生物医学领、能源光电、食品食质，过滤催化等领域发挥显著的作用。在医药医学的研究方面，由于人的结缔组织及上皮细胞的构成与纳米纤维化学性质相似，由于生物的相似相容性，我们可以通过其仿真人体器官的生物功能，进而实现对人体器官的再造或者是修补5。此外由于其表面积及表面空隙的优良特性，纳米纤维非常适合作为药物载体，能更高效准确的实现药物作用。除此，还非常适合作为气体过滤及环境保护的重要材料，也能提高某类传感器的性能，对能源、光电、食品工程、化妆品、催化等领域的发展有巨大推动作用6。静电纺丝技术毋庸置疑有着广阔的发展空间，但不可否认其生产工艺制约着其发展，延缓其工业化的发展。目前，其生产技术与工业要求还有一定的差距，高速旋转收集制备纳米纤维的技术有着严重缺陷，为此我们应着力其技术的研究加快静电纺丝工业化的脚步。1.3课题研究的意义对于静电纺丝技术而言，在通过静电纺丝技术制备纳米纤维的过程中，其制备设备的可靠性起着至关重要的作用，如纺丝溶液的储存箱，溶液移送装置，喷头基座等。除此之外，其制造过程中内部温度和湿度会影响被纺丝出来的纳米纤维的纤维直径，进而影响其可纺丝性，研究表明，被纺纳米纤维的直径会随着溶液液滴分子质量和浓度的增加而增加。其次在射流区间的温度湿度控制，会通过影响液体固化的速度来影响其分子直径，即，若溶媒的沸点相对越低，则溶媒的挥发速度相对越快，进而制备的纤维的直径相对较粗。相反地，若溶媒的沸点相对越高，则会形成直径相对较细的纤维。对于电纺丝区域的温度和湿度而言，纺丝溶液的粘度会因为纺丝区域的温湿度改变而发生变性，从而改变纺丝溶液的表面张力，因此会影响被纺丝出来纤维的质量7。为此，我们希望在研究纺丝的过程中，能够确认不同的环境温湿度对静电纺丝制备纳米纤维的影响，并能简便快捷的调控纺丝温湿度，纺制出高质量的纳米纤维，进一步推进静电纺丝的快速发展。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的可调节纺丝温湿度的静电纺丝装置，以克服上述缺陷。2. 系统方案分析2.1 控制系统的论证与选择通过众多文献的查阅，选出以下几种较为可行的温湿度控制方案：（1）通过对单片机的控制，以温湿度传感器、A/D转换器等模块进行外围电路的搭建，组建可控硅调控的温湿度控制系统。（2）以零电压开关（ZVS）温湿度控制芯片核心，控制连接在AC线路上的电阻性负载，并通过双向晶闸管过零模式的管来实现温度和湿度控制，电路较为简单，元器件少，成本低。（3）无触点电子开关控制温度湿度的恒定，其由温度传感器、电子开关、比较器等单元构成，可以得到相对稳定的温湿度值以及较高的精度。（4）通过对CPLD可编程逻辑器件的控制，并由其他单元组成的温湿度控制系统，数据采样控制以及反馈执行均由CPLD实现8。综上所述，基于单片机价格相对便宜，性能优良，且可以非常方便的组建外围电路，本系统采用第一个方案，以STM32F103RBT6单片机为主处理器，通过电磁继电器控制温湿度调节相关外设，从而保证温湿度的相对恒定。温控系统的实现方案以单片机为核心进行数字温湿度控制器的搭建。控制原理：通过温湿度传感器采集的数据与设定数值进行比较，然后对温湿度调节部分做出相应的控制。系统主要包括：数据的采集、处理，外设的反馈执行，系统和上位机的通讯，人机交互部分。为了提高人机的交互性，本电路将采用基于单片机的数字化温湿度控系统。系统的结构图如图所示。图2.1系统的结构图该系统由CPU、显示模块、反馈执行器模块、接口电路模块、键盘模块、传感器模块、报警装置、执行器模块、电源模块、传输模块、接口电路模块、通信电路模块组成。CPU模块：CPU是系统的核心，主要进行数据的处理，每个模块的控制与协调。显示模块：显示模块由LCD2864支持。报警模块：通过三极管驱动蜂鸣器来报警。传感器模块：传感器用于温度湿度数据采集，要求温度范围:0一120测温度精度:士2测湿度范围:1一99%RH测湿度精度:士2%RH。执行器模块：执行器接受来自CPU的控制数据，对温度湿度进行控制。电源模块：为整个单片机以及外设提供电源。接口电路模块：用于系统扩展。通信模块：PC机与系统之间进行通信。2.2 系统各部分的论证与选择2.2.1单片机的选择方案一：采用AT89C51单片机。AT89C51是具有4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。该器件采用非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，且与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。ATMEL的AT89C51其优势在于参考资料丰富，应用广泛，研究相对完善，毋庸置疑是一种高效经典的微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本9。但是其缺点也非常明显，AT89C51不支持ISP（在线更新程序）功能，处理速度较慢，具有一定局限性，适用于对实时性要求不严的系统中。方案二：考虑到STM32F103RBT6具有128K FLASH、20K SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用IO脚且大部分都允许5V信号，驱动能力强大，大量的不同类型的通讯接口，以及不到13元的批量价，符合单片机的要求。如果你选择STM32F103RBT6实现这些功能，没有太大的区别，系统芯片的成本提高不明显，但提高了系统的稳定性。同时，由于STM32构成的系统在实际中应用相当成熟，在批量购买时性价比更加高，更加适合实际的工业生产和控制。综上所述，本设计选择STM32F103RBT6作为最小系统的CPU。2.2.2显示器的选择方案一：采用数码管。数码管的显示原理就是驱动电路来驱动数码管的各个段码，然后显示出所需要的数字，按数码管的驱动方式进行分类，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动，静态驱动的优点显示亮度高，尤其是编程相对简单，缺点十分明显就是占用I/O端口多静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指把数码管的每一个段码对应单片机的I/O端口进行驱动。或者采用BCD码再配合译码驱动器进行驱动，硬件电路的连接稍显复杂。 动态显示驱动是利用人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，数码管本身并非同时点亮，但可以通过加快扫描的速度，给人的视觉感觉就是一组稳定的显示数据，不会感到闪烁时间差，动态显示和静态显示从效果上来说是一样的。数码管在实际生活中凭借其成本低技术相对简单的特点有着广泛的应用，但对于温湿度的显示不太方便，而且连线复杂，容错率较高10。 方案二：采用12864液晶屏。液晶显示是通过电压对其显示区域进行控制，进而显示所需要的数字或图像。12864具有易于安装生产、低电压、功耗低、辐射低、体积小、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、抗干扰能力十分强，此外具有优秀的分辨率，更加适合用于显示字母、数字、符号等稍显复杂的信息，通过简单的外围电路搭建，即可由单片机直接进行控制输出显示11,12。 综上所述，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计相对简单，操作更加方便。因此我们选择方案二。2.2.3报警系统的选择 方案一：采用语音芯片ISD1820。该芯片采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列。 使用 ISD1820时，为了确定每段语音的起始地址的地址模式，必须要精确计算录音时间与地址单元的换算，使用起来有些繁琐。而且在多段录放上的操作略显复杂，为实现一个功能要进行多个管脚的操作，对比其他方案是不值得引入使用的。此外ISD1820价格昂贵，供应不足，毋庸置疑其有着强大的功能，但并不是最好的选择。方案二：使用压电式蜂鸣器。压电蜂鸣器从转换方式上来说是电声转换装置。其发生远离简单说是因为压电效应，通过械变形使其发出声音。蜂鸣器因为其价格低廉易于控制，在各类电子产品中有着广泛的应用。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器，压电式蜂鸣器，阻抗匹配和共鸣箱，外壳等部分组成，一部分压电蜂鸣器还配备了发光二极管。在多谐振荡器由晶体管或集成电路中，当电源接通时（1.5-15V DC工作电压），通过输出1.5-2.5KHZ的方波启动音频信号，从而使压电蜂鸣片发声13 。综上所述，本设计选择方案二作为本系统的报警模块。2.3 系统设计目标及技术要求（1）实现对温湿度参数的实时采集和监控。通过由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，从而实现温湿度的智能测量。（2）实现超限数据的及时报警。（3）系统反馈执行部分应具备抗干扰、准确控制及较高的灵敏度。（4）通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。（5）长时间测量数据记录功能:可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入上位机。（6）监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。（7）执行模块根据所测温湿度数据与标准数据进行比较，并进行对应的温度湿度调节。（8）要求达到的技术指标:温范围:0一50测温精度:士2测湿范围:20一90%RH测湿精度:士5%RH。 3. 硬件系统设计3.1 STM32微处理器STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能14。 本课题控制系统所使用的处理器为STM32系列产品中STM32F103RBT6，工作于-40C至+105C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，可以设置工作在省电模式以保证低功率消耗的应用需求，并且具有丰富的外设资源：l 该芯片工作时最高频率可达72MHz；l 内部带有128K字节的闪存和20K字节的SRAM；l 时钟，复位，电源管理：2.03.6伏供电和I/0,可编程电压监测器（PVD），内置416MHz石英振荡器，8MHz厂家校准RC为RTC专用32kHz振荡器及校准；l STM32F103RBT6具有低功耗：睡眠，终止，待机三种模式 ；l DMA：7通道DMA控制器，支持的外设，数模转换器，SPI接口，i2c接口，USART接口 ；l DEBUG模式：串行线debug（SWD）和JTAG接口； l STM32F103RBT6有80个快速I/0端口，16个外部中断向量全可映射； l 7个定时器：三个16位定时器，每个有4个IC/OC/PWM或脉冲计数器，2个16位监视定时器，SysTick定时器，24位递减定时器；l STM32F103RBT6多达9个通信接口：2个IC接口（支持SMBus/PMBus），多达3个USART，2个SPI接口（18Mbit/s），CAN接口（2.0B Active），USB2.0全速接口；检测电路通过A/D转换把输出电压转换为数字信息，再将数字信息交递给单片机进行处理，在控制系统中通常采用模拟量，所以输出的数字量再通过过D/A转换成数字信号，通过连续的控制信号对系统进行控制。通过连续的模拟信号控制系统的温湿度调节，进而保证温湿度相对恒定。信号的A/D转换、运算、D/A转换三个步骤，皆可经过STM32来完成15。3.2 最小系统本次硬件的核心就是STM32F103RBT6，其他的外围电路都是围绕它所设计的，系统由STM32F103RBT6作为MCU构成最小应用系统同时配有8MHz和32.768K晶振和按键复位电路等如图3.1所示。采用JTAG进行下载代码和调试，如图3.2所示:图3.1 单片机最小系统图3.2JTAG原理图图3.3BOOT电路表3.1 启动模式表BOOT0BOOT1启动模式说明0X用户闪存存储器用户闪存存储器，也就是FLASH启动10系统存储器系统存储器启动，用于串口下载11SRAM启动SRAM启动，用于在SRAM中调试代码 如图启动模式表所示,一般情况下（即标准的ISP下载步骤）如果我们想用用串口下载代码，则必须先配置BOOT0为1，BOOT1为0，然后按复位键，最后再通过程序下载代码，下载完以后又需要将BOOT0设置为GND，以便每次复位后都可以运行用户代码。3.3 传感器电路DHT11是一款湿温度集成的数字传感器。该传感器由一个测湿元件和一个NTC测温元件构成，并与一个8位单片机进行组建。通过单片机等微处理器即可实时的对本地湿度和温度进行采集。DHT11与单片机之间的通信仅需要一个I/O口就能进行简单的单总线通信。传感器内部湿度和温度数据全部40位数据一次性传输给单片机，数据再采用校验和方式进行校验，进而保证数据传输的准确性16。DHT11功耗先对较低，实际工作电压为5V，工作平均最大电流不超过0.5mA。DHT11的技术参数如下：l 工作电压范围：3.3V-5.5V；l 工作电流：平均0.5mA；l 输出：单总线数字信号；l 精度：湿度5%，温度2；l 分辨率：湿度1%，温度1；DHT11的管脚排列如图3.4所示：图3.4 DHT11管脚排列图DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即，单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。数据分小数部分和整数部分，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。DHT11的数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其中校验和数据为前四个字节相加。传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据(湿度、温度、整数、小数)之间应该分开处理。例如，某次从DHT11读到的数据如图3.5所示：图3.5某次读取到DHT11的数据由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法：湿度= byte4 . byte3=45.0 (RH)温度= byte2 . byte1=28.0 ( )校验= byte4+ byte3+ byte2+byte1=73(=湿度+温度)(校验正确)可以看出，DHT11的数据格式是十分简单的，DHT11和MCU的一次通信最大为3ms左右，建议主机连续读取时间间隔不要小于100ms。下面，我们介绍一下DHT11的传输时序。DHT11的数据发送流程如图3.6所示：图3.6 DHT11的数据发送流程首先主机发送开始信号，即：拉低数据线，保持t1（至少18ms）时间，然后拉高数据线t2（2040us）时间，然后读取DHT11的相应，正常的话，DHT11会拉低数据线，保持t3（4050us）时间，作为响应信号，然后DHT11拉高数据线，保持t4（4050us）时间后，开始输出数据。DHT11输出数字0的时序如图3.7所示图3.7 DHT11输出数字0的时序如图所示：DHT11接口电路如图3.9所示图3.9DHT11接口电路3.4 电源电路 因为外设采用12V电压,所以利用LM1086降到5V,再利用LM1117_3.3降到3.3V,然后给单片机供电。STM32采用2V到3.6V电源供电，系统中电源采用3.3V供电，3.3V电压来源可以利用LM1117稳压器的特性，即由5V变3.3V的特点直接获得3.3V电压。图3.10电源电路3.5 反馈调节电路单片机是一个弱点控制器件，工作电压不超过5V，电流也很小，由于本系统要控制大功率外设，在此引入一个打压控制开关器件继电器，通过继电器实现功率的驱动。通过继电器驱动实现较为简单且满足于系统的需要，其工作流程即首先单片机对其进行驱动，然后再由继电器驱动外设，不难看出，继电器充当着单片机与其他大功率负载借口的角色。图中三极管可以看作是一个通过电压控制的开关器件，当单片机的PA4引脚输出低电平时，三极管Q2饱和导通，5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。单片机的PA4引脚输出高电平时，三极管Q2截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管导通截止的瞬间，由于电磁感应定律，线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个阻碍其下降的感应电动势，再利用二极管单向导通的特性保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D4的保护作用。图3.11反馈调节电路3.6 报警电路在常见的控制系统中，对一些重要参数的监控，都具备紧急报警装置，通过引起操作人员的注意采取相应的紧急措施，以保证生产安全。本设计通过计算机采集转化后的信息与设定信息进行比对，如果高于设定区间值，就进行报警，否则进行正常显示以及工作17。本设计采用峰鸣音报警电路。如图3.12所示。对于STM32F103RBT6单片机，IO口的灌电流为15mA,而蜂鸣器额定电流30Ma，直接进行连接PD2口电流是不能完成驱动的，为此我们使用PNP型晶体管，进行放大电路的搭建，作为单片机与蜂鸣器的接口部分，当外部环境温湿度值不在设定区间时，此时基级变为低电平，进而引起蜂鸣器导通鸣叫18 。图3.12报警电路3.7 显示电路在日常生活中，我们身边充满了电子产品，显示屏作为电子产品的显示器件，我们对其相当熟悉，比如计算机、示波器、万用表及常见的家用产品皆可看到显示的主要是数字、专用符号和图形。LCD12864是一款具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，价格相对低廉，芯片易于控制，其显示特性如下，显示屏与单片机的连接如图3.13l 低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）；l 显示分辨率:12864点；l 内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)；l 内置 128个168点阵字符；l 2MHZ时钟频率；l 显示方式：STN、半透、正显；l 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；l 视角方向：6点；l 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10；l 通讯方式：串行、并口可选；l 内置DC-DC转换电路，无需外加负压；图3.13显示屏接口电路3.8 通讯电路通信接口用的是现在的主流接口RS-232。在RS-232标准中，字符是以一串行的比特串来一个接一个的串行方式传输，优点是传输线少，配线简单，传送距离可以较远。最常用的编码格式是异步起停格式，它使用一个起始比特后面紧跟7或8 个数据比特（bit），然后是可选的奇偶校验比特，最后是一或两个停止比特。所以发送一个字符至少需要10比特，带来的一个好的效果是使全部的传输速率，发送信号的速率以10划分。一个最平常的代替异步起停方式的是使用高级数据链路控制协议（HDLC）。系统中，232接口用MAX232来驱动，MAX232的典型工作电路及各引脚功能如下：RS-232（DB9）各引脚的功能：1、DCD 载波检测 ；2、RXD 接收数据 ；3、TXD 发送数据 ；4、TR 数据终端准备好 ；5、G 信号地 ；6、DSR 数据准备好 ；7、RTS 请求发送 ；8、CTS 允许发送 ；9、RI 振铃提示；MAX232芯片各引脚说明：1、3、4、5：外接电路；2、6：10V电压输出；7、10、11、14：数据输出；8、9、12、13：数据输入；15：接地；16：+5V电压输入；C1的作用：可以把引脚16上输入的+5V电压加倍为电容C3上的+10V电压。C2的作用：可以把+10V电压转换为电容c4上的-10V电压。二者转换后得到的电压，为RS-232供电。根据MAX232引脚与RS-232引脚的说明，可以绘制出系统的通信电路，如下所示图3.14通讯电路3.9 时钟电路在单片机系统中晶振的作用非常大，其全称叫做晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率，如果单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。正常工作条件下，晶体频率的绝对精度，可达到每百万五十，该晶体也可以是在一定范围内所施加的电压的频率的一些调整，称为压榨振荡器，在谐振在一个晶体和晶体的能量状态可工作机械能转换成彼此，以提供一个稳定，精确的单频振荡STM32内嵌8MHz和40KHz的RC振荡器、带校准功能的32KHzRTC振荡器。同时支持4到16MHz的外部晶体振荡器。系统采用外部晶振作为时钟电路。外部晶振分为：、8MHz高速外部时钟；、32.768KHz低速外部时钟；下面为二者的典型连接图示：STM32使用8MHz高速外部时钟的典型应用增益控制Fhse施密特RfOSC-INOSC-OUTREXT图3.15 8MHz谐振器其中REXT的数值由晶体特性决定，一般为5到6倍的RSSTM32使用32.768KHz低速外部时钟的典型应用OSC-OUT增益控制Fhse施密特RfOSC-INREXT图3.16 32.768KHz谐振器其中，8MHz的高速外部时钟源32.768KHz低速外部时钟源图示如下图3.17 时钟电路图4. 系统软件设计温湿度控制系统包括硬件和软件两个部分，硬件部分包括了温湿度检测，调整和显示等多个部分，而软件部分主要是对单片机进行程序设计以控制各个模块之间协调工作，完成温度控制的作用，根据系统工作流程图对系统进行程序设计，系统工作流程图如图4.1所示图4.1系统工作流程图根据设计任务的要求,系统软件主要完成温湿度数据的采集和执行模块的处理、LCD12864的显示以及串口同PC机的通信。程序采用STM32的固件函数库在Re2alViewMDK环境下编写,主要包括以下内容:（1）初始化（2）数据的采集和处理（3）数码显示（4）串口通信4.1 主程序模块程序设计本系统的整个程序流程是首先上电，系统各部分进行初始化，单片机初始化，液晶显示器初始化等。初始化完成后进行键盘扫描，然后再进行延时一段时间，供传感器采集数据，延时完成后就进行数据的采集并传输到单片机，单片机处理之后传输到液晶显示器，液晶显示器显示温湿度值，同时与上位机通讯传输并存储数据。并且判断温度和湿度是否超出阈值，如果没有超过，就继续执行数据采集程序，如果有一个值超出阈值，则启动报警系统，蜂鸣器发出声音，并启动相应的反馈模块进行温湿度调节，当温湿度值符合标准检测结束，主程序流程图如图4.2所示。图4.2主程序流程图4.2 显示程序设计LCD12864液晶显示模块程序设计液晶显示模块是一个慢显示器件，在执行每条指令之前要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，则此指令失效，要显示字符时要先输入显示字符地址，告温湿度检测并传送数据回单片机延时开始初始化报警系统启动(即蜂 鸣器发声) LCD12864显示数值据判断温度和湿度是否超出阈值 结束 键盘扫描 诉模块在哪里显示了字符。LCD12864液晶显示模块可与单机接口直接连接，无需再加驱动。LCD12864的显示数据过程是首先液晶初始化，初始化完成后执行时程序，等待数据的采集，延时完成后LCD会先写入一些指令和显示字符的地址，在这完成后单片机向LCD发送数据即写数据，数据发送完LCD就会读取写入的地址并显示出来，最后返回，软件流程图如图4.3所示。图4.3液晶显示流程图4.3 传感器模块程序设计根据传感器的通信协议，首先由单片机通过I/O口主动产生要求的激发信号，然后将数据线的控制权交给传感器，接着单片机通过while语句不间断的检查I/O口的高低电平，从而达到对时序的正确把握，解析出准确的传输数据。DHT11传感器模块的软件流程图如图4.4所示。图4.4传感器模块的软件流程图传感器模块负责温湿度数据源的采集，首先数据口连接端PC4输出低电平， 延时18ms之后PC4输出高电平，延时40ms之后，读PC4引脚是否为低电平，如果不是低电平就继续读，如果是低电平就执行判断从机80us高电平是否结束，如果没有结束就继续判断，如果结束就进行单片机数据接收，将接收到的数据按十进制数位存入指定的数组中，数据采集结束并保持数据采集持续进行。以下为从DHT11读取一次数据主要代码，其中temp为温度值，humi为湿度值，返回值：0代表正常;1代表读取失败。u8 DHT11_Read_Bit(void) u8 retry=0;while(DHT11_DQ_IN&retry100)/等待变为低电平retry+;delay_us(1);retry=0;while(!DHT11_DQ_IN&retry100)/等待变高电平retry+;delay_us(1);delay_us(40);/等待40usif(DHT11_DQ_IN)return 1;else return 0; /从DHT11读取一个字节/返回值：读到的数据u8 DHT11_Read_Byte(void) u8 i,dat; dat=0;for (i=0;i8;i+) dat=1; dat|=DHT11_Read_Bit(); return dat;4.4 STM32与PC机通讯软件设计在自动化设备当中，用于上位机与下位机传输数据的总线主要是RS232、RS485、ISA、PCI等，ISA/PCI总线是基于主板插槽的机内总线，这种总线使用起来十分不方便，并且一般数量较少，在一台工控机中最多5-8个插槽，多用于板卡+PC的控制模式下。随着计算机的大力发展，串行通讯和USB网络逐渐成熟，ISA/PCI总线有逐渐被替代的趋势。VB提供了串行端口控件Mscomm方便应用程序实现串行通讯，该控件屏蔽了通信过程中的底层操作，程序员应用时只需设置、监视Mscomm控件的属性和事件即可完成对串行口的初始化和数据的输入、输出工作。汇编语言是一种执行效率高、可读性强的语言19。为实现通讯正常，PC机与单片机约定如下：波特率:2400bps；信息格式:1个起始位，8位数据位，1个停止位，无奇偶校验位；串行口操作模式:标准异步串行通信,串行口模式1；传送方式:PC机采用查询方式接收数据，单片机采用中断方式接收信息。(1) 总体功能设计 通过综合分析，本系统至少应具备如下功能： PC机与单片机STM32F103RBT6都可发送和接收数据，进行可以异步串行通信；PC机键盘输入发送给单片机STM32F103RBT6单片机接收PC机发来的数据并送LED显示：单片机STM32F103RBT6温湿度值的每次输入以BCD码送给单片机的LCD显示，单片机发送的数据由四次按键的BCD码组成，发送时作为一个队列发送，PC机接收单片机发送来的数据并送窗口显示；上位机程序即PC端程序采用VB6.0制作，人机界面友好，界面简洁，功能完善,下位机程序即单片机端采用汇编语言进行开发。系统功能模块图见图4.5和图4.6。图4.5上位机模块图4.6下位机模块(2) 通讯流程图主程序： 实现下位机即单片机STM32F103RBT6系统的初始化，设置单片机串行口控制寄存器SCON，电源控制寄存器PCON，定时器初始化，开中断。系统不停的进行监测，当通过扫描发现有数据输入时，经过处理后就启动该模块向上位机PC端发送所检测到的数值;当单片机监测到RxD线上有数据到时就启动该子程序对PC发来的数据进行接收，同时经过BCD转换送单片机系统的LCD进行显示以方便和PC机发送的数据进行比较，以确认通信是否正确，流程图见图4.7。图4.7 主程序流程图图4.8数据队列发送流程图数据队列发送子程序： 当单片机STM32F103RBT6数据已有4次输入时，就启动该模块向上位机PC端发送所检测到的数值，流程图见图4.8。发送子程序： 当单片机STM32F103RBT6检测到数据有输入时，就通过处理启动该模块向上位机PC端发送所检测到的数据，流程图见图4.9。图4.9 发送流程图图4.10数据接收流程图图4.11 BCD转换流程图数据接收子程序： 当单片机监测到RxD线有数据到时就启动子程序对PC发来的数据进行接收，流程图见图4.10。BCD码转换子程序： 该程序首先把DATABUF中的十进制数值除以100(64H)，商就是百位数的BCD码，然后十位和个位的BCD码通过把余数除以10(0AH)即可，综上得到三位BCD码。流程图见图4.11。在此程序中因原来的接收数据存在于#DATABUF附近，为防止发生信息覆盖的问题，通过了暂存单元来暂时寄存除法计算的中间值的方法来解决。5. 系统综合调试与测试数据本章主要讲述了对以上设计的硬件系统和软件系统进行调试的简要过程，以使系统硬件和软件协调工作，达到预期的设计目标，包括硬件电路检测，上电调试，供电测试和通信测试。硬件检测包括三个方面，元件好坏检查、元件安装检查和布线检测，以确保硬件工作的可靠性。5.1元件好坏的检查根据器件手册上的相关参数，检查每个器件是否有损，特别是直接焊上的元件，如电阻、二极管、三极管、电容等，是否因焊接时间过长被烫坏。具体参考为：电阻阻值和标称大致相同，二极管正向压降一般为0.7V左右，PNP三极管发射极和基极压降为0.5V左右，LED正常发光等。如有反常或不符合规定参数，应及时换上好的器件，以免影响后续的综合调试工作。5.2元件安装检查对已经焊接好的实验板，检查各元件是否安放正确，特别是芯片和有方向要求的元件是否按照引脚序号对应插入相应位置，如MAX232芯片的凹槽方向，单排直插DHT11和LM1117器件的标识方向，程序下载和数据传输排线第一根的位置等予以详细检查，否则上电后器件可能被烧毁、不能正常工作或无法正常处理数据。5.3布线检测首先观察PCB底面布线和焊接情况，布线有无缺失，焊接有无虚焊、连焊和误焊，各种明显的失误一一排除；其次使用万用表检查主要电路的连通性，把万用表旋至短路检测档，从电源正负极开始，逐个检测各个器件或芯片与电源或芯片之间的连通性，如过没有连通，芯片就无法供电或正常工作，可能隐含虚焊的问题，需要补焊；最后对照画好的PCB图，比较布线是否有出入，如有，则重新布线。经过上述三层检查，实验用板基本上符合预期设计，下一步应进行上电检查。5.4上电调试把系统接入直流5V电源，打开开关。按照设计，温湿度数据变量默认为0和0%RH，直到采样传感器成功后修改为实时数据；报警值默认为低温0、高温50、低湿20%RH、高湿90%RH（传感器测量极限）；而传感器是在一秒之后才开始采样，以越过上电的不稳定期。因而，系统复位或上电后会报警一秒钟，然后才开始正常工作，而这个过程正好可以作为系统自检，即如果没有出现开机报警，那么系统就可能有问题。在调试过程中遇到的几个问题及解决或解释方案如下：1. 系统上电后，没有任何现象解决方案：可能是电源出了问题，从电源输入开始检查，用万用表电压20V档检测稳压模块LM1117，输入端电压正常为0.0V，输出端也为0.0V，这说明LM1117接触不良，经整改，显示屏有显示。2. 系统上电后，一直处于自检状态解决方案：可能是单片机与传感器没有连接好，单片机无法采样到实时数据，没有修改温湿度变量导致。从理论上讲，单片机和传感器通信时，传感器的数据端的电压应有微小的（通信