【《基于STM32的温湿度远程检测控制系统设计与实现》7800字（论文）】

基于STM32的温湿度远程检测控制系统设计与实现摘要随着科技的进步和发展，人们对温湿度环境的要求和重视正逐渐提高，温湿度标准已经普及到了各个领域，如机房、农业、工业等等，而单片机作为一种比较成熟的新兴电子技术,在温湿度计的开发应用中扮演着越来越重要的角色。本文在前人的研究基础上，对于一个基于单片机STM32F407ZGT6的温湿度远程监控系统进行介绍，并说明系统总体思路、系统所用技术以及系统所应用的传感器特性。在研究整个系统的软硬件期间，分为温湿度、液晶显示屏、报警装置和无线传输数据四个模块并逐个进行模拟和实物调试，从而完成整个系统的设计。本文对于利用单片机和温湿度传感器DHT11开发测温监控系统的过程进行了详细描述，详细分析该系统的硬件连接、软件编程以及各模块系统流程。该系统可以轻松实现温度数据采集和显示，根据个人或公司的需要，设定报警温度，使用过程中可以感受到该系统的高精度、宽量程、高灵敏度、小体积、低功耗等特点，非常方便，适用于日常生活和生产中各种需要温度控制的场合，也可以嵌入其他系统中作为其它核心系统的次要延伸和辅助扩展的温度处理模块。本系统利用DHT11与STM32F407ZGT6，实现目前可行的最简单的温度控制系统，结构简单，能够防止强烈干扰，适用于恶劣环境中的温度控制，具有各种不同的应用。关键词：嵌入式；STM32F407ZGT6；DHT11；目录TOC\o"1-3"\h\u序言 —序言随着技术的进步，现代社会越来越需要不同的信息参数，并保证其准确性，如何以准确快速的方式获得这些参数取决于现代信息库的发展水平。三大信息技术，即传感器技术、信息通信技术和信息处理计算机技术，其中传感器是信息技术的先进产品，特别是温湿度传感器技术，在我国的所有领域都很普遍，这可以说已经渗透到社会的所有领域，人们的生活与环境温湿度密切相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，温湿度测量对农业生产也同样至关重要，因此必须研究温湿度测量方法和温湿度预警装置。传感器的发展有三个阶段：1.传统的分立式探测器。2．模拟集成传感器。3．智能集成传感器。目前，智能温湿度传感器，也就是数字温湿度传感器是在90年代中期发明的，温度数据的产生输出和温度控制是其特点，这些数据适合与不同的微控制器相配合。社会发展导致生产与市场对传感器的需求增加，温湿度传感器与时俱进，飞速发展，从集成化到智能化到网络化。此外，还迅速配合开发了先进的相关元件和系统，与高科技接轨，越来越简洁方便。第1章绪论1.1课题背景及研究目的大势所趋，年轻人引导着社会方向，这个群体对于高质量生活的追求反映在各个方面上，生活在温湿度适宜的条件下也是年轻人的愿望之一。在这种情况下，应建立一个小型的环境参数监测系统。由于价格低廉、开发和利用方便、监测效率高，以及年轻人对消费更加开放，单片机的温湿度监测系统在各种住房条件和其他领域得到广泛使用，可以预见，该系统将拥有良好的市场前景。1.2国内发展状况与应用现状外国人对环境的重视，无论是室内还是室外，带来了相关的市场需求，高水平的相关技术也应运而生。20世纪80年代，发达国家就建立了空气质量监测系统，可以实时传播信息。大型系统是面向外部环境的，进入室内系统，就需要一个小型系统，它们不仅只占据很少的的空间，还对于数据变化相对敏感，而且也不是很复杂，便于操作。温度和湿度对人们的生活有重要影响，必须实时加以控制，那么传感器就是一个关键因素。在16世纪，伽利略发明了温度计，在17世纪，科学家们开始改进和发明更好的测量温度的方法。1821年，热点效应的发现使科学家们能够发明热传感器，从而将热能转化为电能。20世纪60年代，外国人开始发展温室技术，1970年代至1980年代，人们开始使用相关的取样工具采集环境因子，使用相关采样仪器进行环境因素汇总，并对环境因素进行监测。二十世纪初开始，研究室内空气质量成为国外的一大研究议题。国内空气质量的调查研究比国外更晚，关于国内空气污染的研究始于1970年代，主要集中在二氧化碳等空气污染物上。1980年，中国预防医学科学院对空气污染与人类健康之间的联系进行了分析。我国于2002年12月18日正式颁布了室内空气质量标准，并于2003年3月1日正式实施。我国的相关研究才刚刚开始，在市场上开发相关产品的公司与外国公司相比也有一定的差异，如目前美国ESC公司生产的Z/ZDL系列便携式气体探测器已十分成熟便捷。另外，TSI仪器公司生产的一款内部环境综合检测仪——NP-8A型甲醛智能检测器。尽管国内也有很好的产品，但这些产品大多过于专业化，不适合公众使用，仍有许多工作要做。1.3本文主要研究内容本文设计了一个小型湿湿度检测系统，基于STM32单片机，可以检测相对较小的密闭和半开放区域，设置了空气温度和湿度两个参数，可以实时投放在液晶显示屏上，并将信息传送到联通同一局域网的移动电话上。本文将通过五个章节进行叙述。第一章：绪论。在前人的许多研究结果和文献中，阐述了同类型产品的设计概念和使用环境，举例说明了一些国外公司的代表产品，介绍了本论文的内容和结构。第二章：整体系统方案设计与实现平台。简要介绍温湿度检测控制系统的设计和使用方法，简单解释对于系统具有较大影响的干预因素。第三章：软件系统设计。对于每个模块的工作原理和设计方案进行详细阐述。第四章：实物与系统测试。对系统进行测试并与官方数据进行比对，分析原因。第五章：总结和展望。对于本系统和本人问题的相关总结和对于该系统和领域的未来展望。第2章整体系统方案设计与实现平台2.1系统总体思路实时检测室内温湿度时，该系统使用软件设计，用一个DHT11温湿度传感器来收集数据，用单片机来分析处理数据。STM32F407ZGT6作为系统的中央处理器，采用模块化设计思想，用于开发该温湿度检测系统。使用一个DHT11温湿度传感器、一个蜂鸣器、一个液晶显示屏和开发板自带ESP8266Wi-Fi模块。STM32芯片是用来控制整个系统的温湿度检测系统的CPU,一旦传感器开始收集环境数据，CPU就会不断地读取传感器的数据，并将其与程序中预设的阈值范围进行比较，在超出预设温湿度范围的情况下，会启动一个蜂鸣器警报，以提醒用户，空间环境需要改善，并在液晶显示屏上显示收集到的数据。此外，还通过开发板自带的ESP8266Wi-Fi模块发送给用户的移动应用程序，以便监控查看。2.2嵌入式编程嵌入式编程的目的是应用，以计算机技术作为支持，它可以根据需要和使用情况减少软件和硬件设备，适用于需要系统拥有高可用性、高可靠性、高能源消耗和成本的专业计算机系统。该系统是专门为用户、应用程序和产品设计的软件、处理器和操作系统，与其他产品结合会更实用多样。与传统计算机系统相比，嵌入式系统是针对特定用户群的系统，微处理器的高度集成可以在微处理器内同时实现许多功能，这对于最大限度地减少内部设计和所需空间非常实用。由于各行各业的应用和进步，知识收集系统显然将随之不断更新。嵌入式系统本身不能单独开发，即使用户想要在设计完成后审查其程序功能，它们的开发修改也需要一系列工具和环境。2.3温湿度传感器特性经过传感器的发明、改良，直到今天，各种传感器正在得到越来越多的发展和优化。温湿度传感器的发展也非常顺利，它们已经远离了初级湿敏、温敏元件的范围，并开始在诸如多样化、综合化、数字化和网络集成等方向发展。本系统使用DHT11温湿度传感器来收集环境参数。该数字传感器具有稳定实用的性能，广泛使用于多个领域和方向的研究应用。本系统选择了DHT11复合传感器作为温湿度测量的主力，该型号传感器是一种集中式数字传感器，在业界中具有良好口碑，安全性能很好，也非常稳定，能够适应各种工作环境，且价格便宜。传感器有一个电容式感湿元件，一个NTC测温元件。模块成本低，对湿度和温度反应灵敏，抗扰能力强，同时在其他功能如检测控制方面也有相应指标。图2.1DHT11外观该模块外观如图2.1。传感器的温湿度性能如表2.1，表2.2：表2.1相对湿度性能表参数条件MinTypeMax单位量程范围595%RH精度25℃±5%RH重复性±1%RH互换性完全互换响应时间1/e(63%)<6s迟滞±0.3%RH飘移典型值<±0.5%RH/年表2.2温度性能表参数条件MinTypeMax单位量程范围-2060℃精度25℃±2℃重复性±1℃互换性完全互换响应时间1/e(63%)<10s迟滞±0.3℃飘移典型值<±0.5℃/年根据上述特性，相对湿度为25℃的误差范围为±5%RH，而温度为±2℃，这样可以达到一阶响应63%为大约1/e秒的时间。该传感器在温湿度检测方面不适用于需要极度精确的环境，需要一定时间进行数据处理，但考虑该系统的使用环境不是非常严格，而且用户的访问频率普遍不高，所以即使有一些缺点，该传感器是完全能够满足所需的。2.４本章小结本章介绍了该系统的概念、主要技术和所使用的传感器的特点。制作了一个全系统流程图，作为进一步设计软件的基础，说明了系统和技术的优势和使用范围，并确认了相对最佳的系统开发方案和技术指标，如电气特性、测量范围和测量精度，介绍了传感器使用中的误差范围和其接受程度。第3章系统设计3.1软件开发环境STM32F407ZGT6处理器，是ST公司基于ARM公司开发的Cortex-M4内核所设计的处理器。软件设计部分使用KeilμVision5IDE项目，是美国Keil软件公司在2013年开发的计算机编程软件，可以支持STM32系列单片机。开发人员可以使用固件库函数来编写程序，而不是在寄存器部分进行操作编程，所以程序的移植性得到了保证，进而降低编程方面的难度。不但适用于STM32系列芯片，KeilμVision5IDE还使用C语言作为开发语言，在具备一个先进的编译工具链的前提下，比起其他的编程工具，它显然最适用于这个课题。3.2整体思路及架构系统将通过温湿度传感器获得温湿度值，简化了单总线通信方式，也就是说，整个过程中的数据交换和数据控制，将由单根数据线完成，这都多亏了传感器DHT11。一旦读出传感器的湿温度数据，系统就会将其放在开发板自带的显示器屏幕上，并在屏幕上实时更新，如果移动电话连接到了相同的Wi-Fi系统，系统会将数据传送给用户。系统利用FSMC(FlexibleStaticMemoryController)来模拟液晶控制器ILI9806G，通过其8080通信接口来实现在开发板自带的显示屏上显示实时数据的功能。在实践时，尝试过通过开发板的标准I/O接口进行模拟，在实践证明这样做效率非常低之后放弃此想法。为了在屏幕上显示文字，中文字符或英文字母必须通过相关软件生成字符模型，并且使用SPI通信协议和开发板自带的Flash存储器来储存有关字符模型的信息，从而实现我们的设想。使用开发板自带的Wi-Fi模块，就可以向移动电话传输实时的温湿度数据，此模块使用ESP8266芯片，自带有一个完整、自主的无线网络解决方案，可以在手机连接后进行信息传输，原理是创建一个Wi-Fi连接热点，并在移动电话上安装一个名叫“秉火物联”的应用程序，该应用程序由东莞野火电子技术有限公司开发，可以提供温湿度数据显示界面，同时监控ＲＧＢ提示灯和蜂鸣器。系统的实时状态监控与超过上下限报警功能是由蜂鸣器和RGB灯来实现的，系统将不断接收传感器发出的温湿度数据，在将温湿度值与预先确定的阈值进行比较后，如果温湿度没有超过在阈值，则RGB灯保持绿色，液晶显示屏显示“温湿度正常”；如果检测到阈值以外的温湿度，RGB灯将变为红色，与蜂鸣器分隔50毫秒的时间来完成报警。与此同时，液体显示屏将显示"温湿度非正常，请注意"以向用户报警提示。3.3模块设计3.3.1温湿度测量部分DHT11有四根引脚，其中，VDD引脚与开发板的3V3连接，数据引脚与开发板的PE3连接，GND与开发板的GND连接，NC为空引脚，不连接。因为系统的通信格式是简化的单总线通信格式，即所有的数据的传输和命令的传输和执行都由一根数据线来参与。在这条通用单总线上，它可以传输5字节的数据，该数据为高位先行。数据格式为：温度整数部分+温度小数部分+湿度整数部分+湿度小数部分+校验位。该格式下，每一部分的长度均为１字节。单总线的格式定义如表3.1所示。表3.1单总线格式定义名称单总线格式定义起始信号主机把数据总线（SDA）拉低至少18ms（最大不得超过30ms），以告知传感器准备数据。响应信号DHT11把数据总线（SDA）拉低83µs，再拉高87µs作为应答信号回应主机。数据格式收到主机起始信号后，DHT11会单次地从数据总线（SDA）传出高位先行的5字节数据。湿度高8位为湿度整数部分数据，低8位为湿度小数部分数据。温度高8位为温度整数部分数据，低8位为温度小数部分数据，且温度低8位中的位8为1则表示零下温度，为0表示零上温度。校验位湿度整数部分+湿度小数部分+温度整数部分+温度小数部分所得结果的末8位。图3.1数据时序图在确定总线格式后，可根据相应的时序编写一个DHT11驱动程序，从而使微处理器能够收集DHT11收集的数据。图3.2为该时序图。想要让微处理器可以收集读取数据，需要进行下列步骤：1.为了确保工作性能稳定，DHT11必须在电力供应之后等待1秒，随后检测记录温湿度数据。与此同时，上拉电阻，将数据引脚拉高，保持高电平状态，从而在这段时间内不断检测收集外部信号。2.将开发板的PE3引脚设置为下拉的推挽输出模式，并保持低电平，以发送初始信号，该过程为18毫秒到30毫秒。系统将PE3引脚设置为浮空输入状态，而PE3引脚将被拉高，以便接收DHT11的响应信号。图3.3展示了这些信号。图3.2主机起始信号3.如果DHT11使用数据引脚检测出外部低电平信号，将等待该信号结束，然后将80微秒的低电平信号作为响应信号，随即进入80微秒的高电平状态，来使主机做好接收数据的准备。这一时刻，PE3引脚被置于浮空数入状态，如果检测到PE3引脚的低电平，将接收到DHT11的80微秒高电平之后再接受处理温湿度数值，如图3.3所示。4.经过前三个步骤，DHT11产生发出符合格式的温湿度数据，数据为5字节，主机接收该数据。5.产生并发出5字节信号后，DHT11产生54微秒的低电平，然后转变成输入状态，数据引脚被拉高，并开始进行下一次检测，重复以上步骤。3.3.2蜂鸣器与RGB灯本系统具有报警功能，由开发板自带的蜂鸣器和RGB灯来完成。图3.3蜂鸣器、RGB灯原理图第一步，按照图3.8，使RGB灯的时钟打开，选择需要的引脚（RGB灯的PF6和PF7引脚，蜂鸣器的PG7引脚），PG7脚设置为50兆赫的推挽输出，PF6和PF7设置为2兆赫的推挽输出，不同点在于蜂鸣器下拉，RGB灯上拉。结束后，调用库函数初始化，关闭所用元件。结束后，系统将对温湿度数据进行比较，如超过提前设置的上下限将进行报警。报警过程中，将以50毫秒为间隔，以蜂鸣器响动、红灯亮、蜂鸣器停止、红灯停止的顺序进行报警。3.3.3Wi-FiSTM32开发板已经自带了一个Wi-Fi模块，开始工作前需要将引脚初始化。原理图如图。图3.4Wi-Fi模块原理图通过以下路径让系统与移动电话通过该模块互联：选择该模块的AP工作模式。2.设置模块IP地址，开启工作状态，根据自身情况进行相关设置。3.建立热点后，对移动电话进行相关设置。4.打开应用程序“秉火物联”，根据提示连接移动电话和该系统，便可在应用程序上接收查看温湿度数据。3.3.4液晶显示器液晶显示器简称LCD，英文全名为“LiquidCrystalDisplay”。由于开发板自带一个显示器，可直接使用，为我们的设计提供了极大的方便。图3.5ILI9806G内部框图开发板自带的LCD的控制芯片为ILI9806G，如图3.12所示。ILI9806G出厂时已进行了相关设置，使用时需要通过8080接口时序与STM32芯片连接。在使用液晶显示器的8080接口时，需要使用开发板的FSMC控制器来模拟8080时序，来将数据输入显存，以便液晶显示器读取数据并显示，如图为FSMC控制器结构图。图3.6FSMC结构图系统工作时，采用FSMC的B模式，由于在该模式下，地址与数据线不互联且异步，使用到的引脚有：A[25:0]地址总线、D[15:0]双向数据总线、NE[x]片选(x=1...4)、NOE输出使能、NWE写使能。图3.7FSMC模式B时序与8080时序对比图通过对比，可以看出FSMC与8080时序非常相似，只有些微不同，所以能够进行模拟。D/CX线高电平时代表温湿度数值，低电平时代表命令，FSMC通过输出不同的电平就可以在数据和命令中进行选择。由于LCD不能直接显示温湿度数据字样，在实际应用过程中需要使用字模。网络上很多字模生成软件，任选一款即可。本系统使用了GB2312字库，通过SPI存储在开发板自带的FLASH存储器。图3.8串行FLASH电路连接图对SPI的结构体进行初始化。而开发板的FLASH支持情况“0”和情况“3”因此SPI的时钟极性与时钟分别配置为高电平与偶数边沿采集数据，使用情况“3”。使用软件产生片选信号，分频因子选择二分频，高位先行，CRC校验值为7。图3.9SPI时序图编写FLASH存储器的写入、读取函数。本系统使用的是NORFLASH，可以逐个字节写入，编写好相关函数之后，便可将字模数据存放到存储器中。3.4本章小结本章解释了KeilμVision5的优势，介绍了本系统的软件开发环境，阐述了软件的整体架构，对于系统的各模块进行工作原理、工作步骤和如何接入系统进行介绍，对部分复杂模块进行了接口介绍。第4章实物与系统测试4.1系统测试图4.1实物连接图将系统接电，放置于寝室阳台，开窗以便与外界环境保持相同的温湿度，测量2021年4月20日的室外温湿度。数据如表4.1。表4.1系统采集数据时间温度/℃相对湿度/RH10:0018.663.0%11:0019.166.0%12:0020.870.0%13:0021.968.0%14:0023.267.0%通过实验数据与当日官方发布的皇姑区实时气温与湿度的比对，由于元件自身不够灵敏、系统并未完全处于室外、十二点过后在阳台晾晒衣服等种种原因，检测道德数据与官方发布数据有出入，但差距不大，大体趋势相同，所以该系统测量部分工作效果仍然可看作有效。4.3本章小结本章对该系统的实物进行了测试，将系统放置于寝室阳台测量2021年4月20日温湿度，与官方发布数据进行比对，并分析数据不同的原因。第5章总结与展望在经过温湿度计的背景及发展过程了解、传感器的发明出现及发展过程了解、温湿度计的现状了解和未来发展空间评估后，对该系统有了初步的设想和认知。通过比对市面上主流的温湿度传感器和单片机，最终选择了DHT11和STM32F407ZGT6作为系统的主体，并根据设想分模块查找资料、进行软件设计并购买传感器，借用学校实验室的开发板进行实物实验，证实修改自己的设计。本文对该系统的课题背景、设计原理、系统模块设计和实物实验结果分别进行了阐述，受个人知识能力的限制，该系统并不完善，使用过程中也出现了大大小小的问题，希望能在今后的学习中深入学习，解答自己的疑惑，解决这些问题。本系统的空气质量指