基于单片机的吐鲁番家庭鲜葡萄保鲜自动控制系统

基于单片机的吐鲁番家庭鲜葡萄保鲜自动控制系统摘要吐鲁番作为我国鲜食葡萄的核心产区，其出产的葡萄糖分高、口感佳，是当地家庭日常食用与馈赠的重要果品，但鲜葡萄采后易失水、褐变、腐烂，家庭常温储存条件下保鲜期极短，传统冷藏方式难以精准调控保鲜环境参数，无法适配鲜葡萄的专属保鲜需求。针对这一问题，本研究设计了一套以STM32F103C8T6单片机为核心的家庭鲜葡萄保鲜自动控制系统，系统集成了环境参数采集、自动控制、人机交互、物联网远程管理四大核心功能，可实现保鲜空间内温度、湿度、CO₂浓度的实时监测与精准调控，同时支持定时通风、参数本地与远程设置、超标声光报警等功能。系统采用PID控制算法实现温度与CO₂浓度的闭环控制，通过双路传感器采集消除空间参数分布不均带来的检测误差，依托ESP8266WiFi模块接入阿里云平台，实现手机端的远程监测与控制。经测试，系统运行稳定，参数控制精度符合家庭保鲜需求，可有效延长吐鲁番鲜葡萄的家庭保鲜周期，操作简便、成本低廉，具备较强的实用性与推广价值。关键词STM32单片机；鲜葡萄保鲜；自动控制；PID算法；物联网AbstractTurpanisthecoreproductionareaoftablegrapesinChina.Thegrapesproducedherehavehighsugarcontentandgoodtaste,andareimportantfruitsfordailyconsumptionandgiftingoflocalfamilies.However,freshgrapesareeasytolosewater,browningandrotafterharvesting,andthefresh-keepingperiodisextremelyshortundernormaltemperaturestorageconditionsathome.Traditionalrefrigerationmethodsaredifficulttoaccuratelycontrolthefresh-keepingenvironmentalparameters,andcannotadapttotheexclusivefresh-keepingneedsoffreshgrapes.Tosolvethisproblem,thisstudydesignedasetofautomaticfresh-keepingcontrolsystemforhouseholdfreshgrapesbasedonSTM32F103C8T6single-chipmicrocomputer.Thesystemintegratesfourcorefunctions:environmentalparametercollection,automaticcontrol,human-computerinteraction,andInternetofThingsremotemanagement.Itcanrealizereal-timemonitoringandprecisecontroloftemperature,humidityandCO₂concentrationinthefresh-keepingspace,andalsosupportsfunctionssuchasregularventilation,localandremoteparametersetting,andsoundandlightalarmforexceedingthestandard.ThesystemadoptsPIDcontrolalgorithmtorealizeclosed-loopcontroloftemperatureandCO₂concentration,eliminatesthedetectionerrorcausedbyunevendistributionofspatialparametersthroughdual-channelsensorcollection,andconnectstoAlibabaCloudplatformthroughESP8266WiFimoduletorealizeremotemonitoringandcontrolonmobilephone.Thetestresultsshowthatthesystemrunsstably,theparametercontrolaccuracymeetstheneedsofhouseholdfresh-keeping,caneffectivelyextendthehouseholdfresh-keepingcycleofTurpanfreshgrapes,iseasytooperateandlowincost,andhasstrongpracticabilityandpopularizationvalue.KeywordsSTM32singlechipmicrocomputer;Freshgrapepreservation;Automaticcontrol;PIDalgorithm;Internetofthings目录228661绪论 1259301.1研究背景 162761.2国内外研究现状 1284511.2.1国外研究现状 1310601.2.2国内研究现状 2214431.3本论文主要研究内容 3122542功能与设计方案 456402.1系统功能要求 4322682.2系统设计方案 463122.2.1备选设计方案 4108292.2.2最终方案确定 511852.2.3最终方案工作框图与功能说明 5278492.3器件方案对比 582172.3.1单片机的选择 539052.3.2无线通信模块的选型 63082.3.3显示模块的选型 774332.4本章小结 893913系统的硬件设计 9111973.1STM32F103C8T6单片机 9282263.1.1模块选型 9190973.1.2工作原理与接线 923203.1.3数据传输逻辑 9219223.2环境参数检测模块 1042813.2.1双路NTC温度采集模块 1048623.2.2DHT11温湿度检测模块 11286093.2.3双路CO₂浓度检测模块 12297443.3电源模块设计 1416433.3.1电源主电路设计 14251083.3.2电源控制与辅助供电电路 1413403.4人机交互模块 15291303.4.1OLED显示模块 151913.4.2独立按键模块 1645973.5声光报警模块 16123553.6执行器驱动模块 17314813.7ESP8266无线通信模块 1760543.8本章小结 18169244系统的软件设计 1972834.1软件介绍 19119564.2软件程序的设计 19186414.2.1主程序流程图 19106994.2.2按键子程序流程图 20212764.2.3显示子程序流程图 2191834.2.4PID控制策略 22304984.3本章小结 24270495系统的测试 25220965.1硬件测试 25266415.2软件测试 25323525.3实物功能测试 2583685.3.1本地监测与参数设置功能测试 25292425.3.2自动保鲜控制功能测试 26234505.3.3定时通风功能测试 27120785.4本章小结 2718502结论 2814513参考文献 293781谢辞 3118238附录A 327082附录B 331绪论1.1研究背景吐鲁番盆地位于新疆维吾尔自治区东部，是我国鲜食葡萄的核心主产区，素有“中国葡萄之乡”的美誉。当地独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候，造就了年均3200小时以上的日照时长、超15℃的昼夜温差与极低的空气相对湿度，为葡萄糖分积累、风味物质形成提供了得天独厚的自然条件[1]。鲜食葡萄属于典型的非呼吸跃变型果实，采后仍保持旺盛的蒸腾作用与呼吸代谢活动，加之果粒皮薄、含水量高、糖分充足，在采后储运与储存过程中极易出现果粒失水皱缩、果梗褐变、霉菌滋生、果肉软化腐烂等品质劣变问题[2]。尤其是在吐鲁番本地家庭储存场景中，夏季极端高温可达45℃以上，全年平均空气相对湿度不足40%，高温干燥的环境进一步加剧了葡萄采后的水分流失与呼吸代谢，在家庭常温敞开式储存条件下，鲜食葡萄的商品品质与食用口感仅能维持3-5天，7天内腐烂率可超60%，造成了严重的果品浪费[3]。近年来，随着嵌入式技术、传感器技术、自动控制技术与物联网技术的快速发展，以单片机为核心的小型智能控制系统已在农业生产、家居智能控制等领域实现了广泛应用，为家庭场景下的生鲜果品精准保鲜提供了成熟的技术支撑。针对吐鲁番本地家庭鲜食葡萄保鲜的实际痛点，本研究设计一套低成本、易操作、可精准调控保鲜环境多参数的家庭专用鲜葡萄保鲜自动控制系统，通过对保鲜空间内温度、湿度、CO₂浓度的实时监测与闭环精准调控，匹配鲜食葡萄最佳保鲜环境参数，可有效解决本地家庭鲜葡萄储存过程中失水、褐变、腐烂等核心问题，大幅延长家庭环境下鲜食葡萄的保鲜周期，减少果品浪费，提升居民食用品质。同时，系统采用模块化设计，具备较强的可复制性与推广价值，可为其他特色生鲜果品的家庭智能保鲜设备研发提供参考，具备重要的现实意义与应用价值[4]。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外发达国家在果蔬采后保鲜技术领域起步较早，20世纪中期便已开展果蔬保鲜生理机制与配套技术的系统性研究，目前已形成覆盖采后预处理、冷链储运、终端仓储全链条的成熟保鲜技术体系，在果蔬保鲜的智能化、精准化控制领域处于全球领先地位[5]。在保鲜技术发展历程方面，国外果蔬保鲜技术经历了从传统低温冷藏保鲜到气调保鲜、再到智能复合保鲜的三个核心发展阶段。20世纪60年代，欧美国家率先将机械制冷冷藏技术规模化应用于果蔬采后保鲜，通过低温抑制果蔬呼吸代谢与微生物繁殖，成为果蔬保鲜的基础技术[6]；20世纪80年代，气调保鲜（ControlledAtmosphere,CA）技术在欧美、日本等发达国家实现商业化普及，通过调控保鲜环境内O₂、CO₂、N₂的气体组分比例，配合低温环境，可大幅延缓果蔬采后品质劣变，将苹果、葡萄等果品的保鲜周期延长至6-8个月，成为当前商业化果蔬仓储的主流核心技术[7]。近年来，随着智能控制技术的发展，国外的家庭智能保鲜设备得到了快速发展，美国、日本等国家的企业已经推出了多款针对家庭用户的智能保鲜产品。例如，美国的知名果蔬品牌Chiquita推出的家用智能保鲜盒，集成了微型温湿度、CO₂传感器与微型气调模块，可实现小型保鲜空间内的多参数精准调控，将鲜葡萄的家庭保鲜周期延长至2周以上[8]。日本的松下、夏普等家电企业也推出了搭载专属果蔬保鲜舱的智能冰箱，通过独立的温湿度与气调控制，为不同种类的果蔬提供专属的保鲜环境，大幅提升了家庭果蔬保鲜的效果[9]。1.2.2国内研究现状我国果蔬保鲜技术研究起步相对较晚，20世纪80年代才开始系统性引进与消化国外先进保鲜技术，经过四十余年的发展，目前已在果蔬采后生理机制、保鲜技术研发、智能控制系统设计等领域取得了丰硕的研究成果，建成了覆盖全国的果蔬冷链物流体系，果蔬采后损失率已从20世纪90年代的30%以上降至当前的15%左右[10]。当前国内果蔬保鲜领域最先进的技术研究，主要聚焦于多场协同精准保鲜、采后品质劣变智能预测、全链条物联网管控一体化系统，针对我国特色果蔬品种的专属保鲜技术研发已成为行业研究热点[11]。近年来，国内学者针对果蔬保鲜的智能控制开展了大量的研究，吕恩利等人提出了基于BPNN-PID的果蔬保鲜环境参数调控策略，通过神经网络对PID参数进行实时优化，有效提升了保鲜环境参数的控制精度，降低了参数波动对果蔬品质的影响[12]。同时，大量的研究人员开始关注家庭场景下的小型智能保鲜设备的研发，针对家庭用户的低成本、易用性的需求，开发了多款基于单片机的小型果蔬保鲜控制系统，实现了家庭场景下的多参数精准调控[13]。但总体来看，目前国内的家庭保鲜设备仍以传统的单温度控制的冰箱为主，多参数的智能家庭保鲜设备的普及率不足5%，且现有设备大多为通用型的保鲜设备，缺乏针对吐鲁番本地特色鲜葡萄的专属家庭保鲜设备，无法适配鲜葡萄的高湿、低氧、精准控温的专属保鲜需求，难以解决本地家庭鲜葡萄储存的实际痛点[14]。1.3本论文主要研究内容针对吐鲁番家庭鲜食葡萄保鲜的实际痛点，结合现有研究的不足，本研究以STM32F103C8T6单片机为核心，结合传感器技术、自动控制技术与物联网技术，设计一套适配家庭场景的鲜食葡萄保鲜自动控制系统，实现保鲜环境多参数的实时监测与精准闭环调控。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合吐鲁番家庭鲜葡萄保鲜的实际需求，本系统需要实现完整的环境监测、自动控制、人机交互与远程管理功能，具体功能要求如下：系统可实现保鲜空间内温度的监测与控制系统可实现环境湿度的检测与自动控制系统可实现CO₂浓度的监测与控制系统支持定时通风功能系统支持物联网远程管理功能，可通过WiFi模块将采集的环境数据与系统运行状态上传至云平台，用户可通过手机APP远程查看保鲜系统的实时运行数据，远程调整各项控制阈值与PID参数，实现远程监测与控制。2.2系统设计方案2.2.1备选设计方案结合系统功能要求，本次设计提出3套梯度化的系统设计备选方案，各方案核心架构与适配性如下：方案1：单温度参数开关控制简易方案本方案以传统51单片机为核心控制单元，仅搭载单路温度传感器，通过继电器实现制冷片的通断开关控制，无湿度、CO₂调控功能，无人机交互与远程管理模块。方案2：多参数本地闭环控制方案本方案以STM32单片机为核心控制单元，集成温湿度、CO₂传感器模块，可实现保鲜环境多参数的实时采集，采用PID闭环控制算法实现参数的精准调控，配备本地按键与OLED显示模块，实现本地参数设置与数据查看，无无线通信与远程管理功能。方案3：多参数PID闭环控制+物联网远程管理方案本方案以STM32F103C8T6单片机为核心控制中枢，采用模块化设计思路，集成环境参数采集、PID闭环自动控制、本地人机交互、超标声光报警、物联网远程管理五大核心功能模块，可实现鲜葡萄保鲜环境全参数的实时监测、精准闭环调控与全场景便捷管理。2.2.2最终方案确定综合鲜葡萄保鲜的核心需求、参数控制精度、家庭使用便捷性、设备成本与长期运行稳定性，本次设计最终选定方案3：多参数PID闭环控制+物联网远程管理方案作为系统的最终设计方案。2.2.3最终方案工作框图与功能说明本方案的整体工作框图如图2.1所示，感知层采集保鲜空间的环境参数，传输至控制层核心单片机，单片机完成数据处理后，对比用户设定的保鲜阈值，通过控制算法输出驱动指令至执行层，完成环境参数的闭环调控；图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择单片机作为系统的核心控制器，其性能直接决定了系统的运行稳定性与功能实现能力，本研究对比了当前嵌入式开发中常用的三类单片机方案。第一类是传统的51系列单片机，其优势是开发门槛低、成本极低，但其运算性能较弱，片内外设资源有限[15]。第二类是Arduino开发板，其优势是开源生态完善，开发简便，但其核心控制芯片性能有限，且整体硬件成本较高，底层驱动封装过于固化。第三类是STM32系列单片机，其基于ARMCortex-M内核，运算性能强劲，片内集成了丰富的外设资源，多路ADC接口、定时器、串口、IO口可完全满足本系统的所有硬件需求[16]。表2.1核心控制器单片机方案对比表对比维度51系列单片机Arduino开发板STM32F103C8T6单片机核心内核8位C51内核ATmega系列8位/32位内核32位ARMCortex-M3内核最高主频12MHz16MHz72MHz系统适配性无法满足多路采集、闭环控制的多任务需求性能过剩与功能不足并存，适配性差完全适配系统所有功能需求，可扩展性强综合对比后，本系统最终选择STM32F103C8T6单片机作为核心控制器。2.3.2无线通信模块的选型无线通信模块是实现系统远程管理功能的核心，本研究对比了三类常用的短距离与远距离无线通信方案。第一类是蓝牙模块，其优势是功耗低、成本低、与手机直连便捷，但其通信距离极短，仅能实现室内近距离的点对点通信。第二类是GPRS通信模块，其优势是可通过移动网络实现远距离通信，不受WiFi网络限制，但其模块成本与使用成本较高，需要搭配SIM卡使用，流量费用会增加家庭的使用成本，且通信速率较低，数据传输延迟较高，不适合家庭场景下的高频次数据传输[17]。第三类是WiFi模块，其优势是可直接接入家庭现有WiFi网络，无需额外的通信成本，通信速率高、延迟低，支持MQTT物联网通信协议，可便捷接入阿里云等主流物联网平台，实现手机APP的远程管理[18]。表2.2无线通信模块方案对比表[19]对比维度蓝牙模块GPRS通信模块ESP8266-12FWiFi模块有效通信距离室内点对点近距离通信（≤10m）广域远距离通信依托家庭WiFi网络，支持广域远程通信通信使用成本无额外成本需SIM卡与流量费用，长期使用成本高接入家庭现有WiFi，无额外通信成本远程控制适配性仅支持近距离本地控制，无法实现异地远程管理可实现远程控制，但适配性差，成本高完全适配家庭远程管理需求，可便捷接入阿里云平台，实现手机APP远程监测与控制综合对比后，本系统最终选择ESP8266-12F模块作为无线通信单元。2.3.3显示模块的选型显示模块是系统人机交互的核心，负责向用户展示系统运行数据与参数设置界面，本研究对比了三类常用的显示方案。第一类是LCD1602字符屏，其优势是成本极低、驱动简单，但其仅能显示英文字符与数字，无法显示中文，显示内容有限，无法满足本系统多页面、多参数的显示需求，人机交互体验较差[20]。第二类是TFT液晶彩屏，其优势是显示色彩丰富、分辨率高，可显示复杂的图文内容，但其功耗较高，驱动复杂，成本也相对较高，对于家庭保鲜系统的显示需求而言性能过剩，同时需要背光驱动，长期运行的功耗较高。第三类是OLED显示屏，其采用自发光技术，无需背光驱动，功耗极低，可视角度大，在低光照的保鲜环境中仍可清晰显示内容，同时支持中文与图形显示，驱动简单，可通过IIC接口与单片机连接，占用硬件资源少，成本适中，完全适配本系统的显示需求。表2.3显示模块方案对比表对比维度LCD1602字符屏TFT液晶彩屏0.96寸IIC接口OLED显示屏显示内容能力仅支持英文字符与数字，无中文显示能力支持全彩图文显示，分辨率高支持中文、英文、数字与图形显示，适配多页面内容展示[16]长期运行稳定性稳定，背光易损耗长期运行易出现烧屏现象使用寿命长，长期连续运行稳定性优异综合对比后，本系统最终选择0.96寸IIC接口的OLED显示屏作为显示单元。2.4本章小结本章明确了系统的整体功能要求，完成了系统总体方案的设计，同时针对核心控制器、无线通信模块、显示模块、传感器与执行器件进行了多方案对比选型，确定了最终的硬件器件方案。所有器件的选型均围绕家庭使用场景的需求，兼顾了稳定性、实用性与成本可控，为系统的硬件与软件设计奠定了基础。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机3.1.1模块选型针对本系统的需求，主控单元需要支持双路ADC采集、至少2路UART串口、足够的通用IO口，同时需要运行PID控制算法，处理多参数的闭环控制。对比了传统51单片机与STM32F103C8T6单片机方案：51单片机资源有限，仅具备1路ADC、1个串口，无法满足双路传感器采集与无线通信的需求，因此最终选择STM32F103C8T6作为系统的主控芯片。3.1.2工作原理与接线STM32F103C8T6作为系统的核心，负责处理所有传感器的采集数据，运行PID控制算法，输出控制信号驱动执行器，同时处理人机交互与无线通信的数据。模块的最小系统电路包含电源电路、复位电路、晶振电路，保障单片机的正常运行。3.1.3数据传输逻辑该模块作为整个系统的控制核心，接收所有传感器模块传输的环境参数数据，完成数据的处理与运算，然后输出控制信号给执行器、报警模块与显示模块，同时将数据传输给无线通信模块，实现整个系统的协同运行。图3.1STM32F103C8T6单片机3.2环境参数检测模块3.2.1双路NTC温度采集模块（1）选型说明针对家庭鲜葡萄保鲜的需求，我们需要实现双路温度采集，以消除保鲜空间内的上下温差带来的检测误差，同时温度测量范围需要覆盖0-10℃的保鲜区间，且需要控制模块成本。对比了DS18B20数字温度传感器与NTC热敏电阻方案：DS18B20精度达标但单路成本达到8元，双路应用需要占用额外的IO口，成本较高；而10K3950型号的NTC热敏电阻单路成本仅1元左右，仅需占用STM32的两个ADC通道即可实现双路采集，测量精度可达±0.5℃，完全满足保鲜温度的检测需求，因此最终选择该方案。（2）工作原理与接线NTC热敏电阻的电阻值随温度升高呈负指数规律降低，本模块设计了精密分压采集电路，将NTC与1%精度的固定分压电阻串联接入3.3V参考电压，当环境温度变化时，NTC的电阻变化会导致分压点的电压同步变化，接线方面，双路NTC模块的VCC引脚统一接入3.3V系统电源，GND引脚共地，两路的SIG输出引脚分别连接至STM32的PA0、PA1ADC输入引脚，实现双路温度数据的同步采集。（3）数据传输逻辑该模块最终采集到保鲜空间内上下两个不同位置的实时温度值，将模拟电压信号转换为数字温度数据后传输给STM32单片机，为温度PID闭环控制提供输入参数，同时通过双路数据取平均消除空间温差带来的检测误差，提升温度检测的准确性[18]。图3.2双路NTC温度采集模块实物图图3.2双路NTC温度采集模块3.2.2DHT11温湿度检测模块（1）选型说明鲜葡萄保鲜需要90%-95%的高湿环境，避免葡萄失水皱缩，因此湿度检测模块需要覆盖该高湿区间，同时需要兼顾低成本与接线简便性。对比了AM2320高精度温湿度传感器与DHT11模块：AM2320的精度更高，但成本达到15元，是DHT11的3倍；而DHT11的湿度测量范围为20%-95%RH，刚好覆盖保鲜所需的高湿区间，测量精度为±5%RH，满足家庭保鲜的检测需求，成本仅5元，非常适配家庭低成本设备的需求，因此最终选择DHT11温湿度检测模块[19]。（2）工作原理与接线DHT11模块的VCC引脚接入5V电源，GND引脚接系统地，DATA数据引脚连接至STM32的PB0通用IO口，实现单总线的双向通信。（3）数据传输逻辑该模块采集到保鲜空间内的实时环境湿度与辅助温度数据，以数字信号的形式传输给STM32单片机，为湿度自动控制提供参数输入，同时可辅助校验NTC温度采集的准确性，提升温度检测的可靠性。图3.3DHT11温湿度检测模块实物图图3.3DHT11温湿度检测模块3.2.3双路CO₂浓度检测模块（1）选型说明鲜葡萄保鲜需要将CO₂浓度控制在5000ppm以内，避免CO₂累积导致果实无氧呼吸产生异味，同时需要双路采集消除空间内的气体浓度差，因此需要传感器覆盖0-5000ppm的测量范围，且具备较长的使用寿命。（2）工作原理与接线MH-Z19B基于非色散红外(NDIR)技术，红外光源发射特定波长的红外光穿过气室，空气中的CO₂分子会吸收该波长的红外光，模块通过检测光强的衰减量即可计算出CO₂的浓度，内部自带信号处理与温度补偿电路，可直接输出校准后的浓度数字值。（3）数据传输逻辑该模块采集到保鲜空间内不同位置的CO₂浓度值，通过UART串口将数字浓度数据传输给STM32单片机，为CO₂浓度的PID闭环控制提供输入参数，双路数据取平均可消除空间气体分布不均带来的检测误差。图3.4双路CO₂浓度检测模块实物图图3.4双路CO₂浓度检测模块3.3电源模块设计3.3.1电源主电路设计主电路采用集成化的AC-DC开关电源模块作为核心，该模块内部集成了输入EMI滤波电路、整流桥电路、PWM功率转换电路、隔离变压器与输出滤波电路。220V50Hz的高压交流电首先经过EMI滤波电路，滤除市电中的高频干扰信号，避免电网干扰对系统造成影响；随后经过整流桥电路将交流电转换为脉动直流电，再经过大电容滤波后输入至PWM控制器；PWM控制器通过调节开关管的导通占空比，控制隔离变压器原边的功率传输，隔离变压器实现了高压市电与低压输出端的电气隔离，保障了低压侧的使用安全；副边的输出经过整流、滤波后，输出稳定的12V/5A直流电，可满足所有执行器件的峰值功率需求。3.3.2电源控制与辅助供电电路电源控制与辅助供电电路主要负责将主电路输出的12V直流电进一步转换为5V与3.3V的稳定低压电源，为STM32单片机、传感器模块、无线通信模块、人机交互模块等小信号控制与检测模块提供供电支持，同时实现供电的稳压与滤波，保障小信号模块的运行稳定性。首先，12V电源经过LM1117-5V稳压芯片转换为5V直流电，该芯片可输出最大1A的电流，满足DHT11传感器、MH-Z19B传感器、OLED显示屏、继电器模块等5V供电器件的需求。电路中在芯片的输入与输出端分别设计了100μF的电解电容与0.1μF的陶瓷电容，实现高低频滤波，滤除电源中的纹波，提升供电的稳定性。随后，5V电源再经过LM1117-3.3V稳压芯片转换为3.3V直流电，为STM32单片机、NTC温度传感器、ESP8266无线通信模块等3.3V供电器件提供供电。同样，在芯片的输入输出端设计了滤波电容，保障3.3V电源的纹波小于10mV，避免电源噪声对传感器采集与单片机运行造成干扰。图3.5电源模块实物图图3.5电源模块接线3.4人机交互模块3.4.1OLED显示模块OLED显示模块采用0.96寸IIC接口的OLED显示屏，分辨率为128*64，支持中文、英文、数字与图形的显示，通过IIC串行通信接口与单片机连接，仅需SDA与SCL两根信号线，配合电源与地即可完成通信，占用单片机的硬件资源极少，驱动方式简单。图3.5显示模块3.4.2独立按键模块独立按键模块设置了四个独立按键，分别为页面切换键、参数加键、参数减键与时间同步键，单片机通过检测IO口的电平变化识别按键的按下动作。按键模块设计了硬件防抖电路，同时配合软件防抖算法，可有效消除按键机械结构带来的电平抖动，避免按键误触发，保证按键操作的准确性。图3.6按键模块3.5声光报警模块声光报警模块负责在系统检测到环境参数超出设定的安全阈值时，向用户发出报警提示，由有源蜂鸣器与LED指示灯两部分组成，模块通过三极管驱动电路与单片机的通用IO口连接。有源蜂鸣器内置振荡源，通电后即可发出固定频率的提示音，驱动简单，报警音量可满足家庭场景的提示需求；图3.7报警电路3.6执行器驱动模块执行器驱动模块是系统实现保鲜环境参数调控的核心，负责完成温度、湿度、CO₂浓度的调控，模块分为加湿器继电器驱动电路、半导体制冷片MOS管驱动电路与换气扇MOS管驱动电路三部分。加湿器继电器驱动电路采用5V单路继电器模块，继电器的线圈通过三极管与单片机的IO口连接，常开触点串联在加湿器的供电回路中。图3.8继电器模块半导体制冷片与换气扇的驱动电路均采用N沟道MOS管作为核心开关器件，MOS管的栅极通过限流电阻与单片机的PWM输出引脚连接，漏极与源极串联在执行设备的供电回路中。图3.9MOS管模块3.7ESP8266无线通信模块ESP8266无线通信模块是系统实现物联网远程管理功能的核心，负责完成系统与阿里云物联网平台之间的数据交互，模块通过串口与单片机连接，采用3.3V供电，与单片机的串口电平匹配，无需额外的电平转换电路。ESP8266内置完整的TCP/IP协议栈与WiFi驱动，支持Station模式，可直接接入家庭WiFi网络，同时支持MQTT物联网通信协议，可快速接入阿里云物联网平台，完成设备的注册、数据上报与指令接收。图3.10无线模块3.8本章小结本章完成了系统整体硬件电路的设计，详细阐述了单片机最小系统、电源模块、环境参数检测模块、人机交互模块、声光报警模块、执行器驱动模块与无线通信模块的设计思路与实现方式。硬件设计围绕家庭使用场景的需求，兼顾了稳定性、安全性、低成本与易用性，所有模块的设计均经过了抗干扰与安全防护优化，为系统各项功能的实现提供了可靠的硬件基础。4系统的软件设计4.1软件介绍本系统软件开发基于Keil5集成开发环境完成，采用C语言编写程序代码，通过STM32HAL库完成底层外设驱动开发，适配系统多模块协同调度与鲜葡萄保鲜环境自动控制的全功能需求。4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图主程序是整个系统软件的运行核心与总调度入口，采用“上电全量初始化→无限主循环轮询后台任务→定时器中断调度周期性前台任务”的经典嵌入式程序架构，流程框架如下：图4.2系统逻辑流程图4.2.2按键子程序流程图按键处理子程序是用户本地参数设置与功能操作的核心，采用“边沿触发扫描+软件防抖+页面分支执行”的设计逻辑，仅在识别到有效按键动作时执行对应操作，避免占用主循环资源，流程框架逻辑如下：图4.3按键子程序流程图4.2.3显示子程序流程图显示刷新子程序是系统人机交互的可视化核心，采用“周期计数触发+页面分支渲染”的设计逻辑，避免屏幕频繁刷新导致的闪烁与资源占用，仅在到达设定刷新周期时执行显示内容更新，流程逻辑如下：图4.4显示子程序流程图4.2.4PID控制策略本系统采用增量式PID控制算法实现保鲜空间温度与CO₂浓度的闭环精准调控，以STM32F103C8T6单片机为运算核心，将双路传感器采集的平均实测值与用户设定阈值作差得到偏差值，经PID算法计算输出对应的PWM控制量，分别驱动半导体制冷片调节温度、换气扇调控CO₂浓度，通过现场整定确定适配家庭保鲜场景的比例、积分、微分参数，有效消除系统稳态误差与动态波动，让温度控制精度达到±0.5℃、CO₂浓度稳定在设定安全区间，持续维持鲜葡萄所需的稳定保鲜环境。图4.5PID温控程序流程图图4.6PID二氧化碳控制程序流程图4.3本章小结本章完成了系统软件的整体设计，介绍了软件开发环境，阐述了软件的模块化设计思路与主程序的运行框架，详细说明了按键、显示等核心子程序的执行流程，同时介绍了PID控制算法的应用与核心功能的软件实现方式。软件设计兼顾了系统的实时性、稳定性与可扩展性，为系统各项功能的实现提供了可靠的软件支撑。5系统的测试5.1硬件测试首先进行通断测试，使用万用表测试电源与地之间的阻值，确认不存在短路问题，避免上电后出现元器件烧毁的情况；随后进行供电测试，将12V直流电源接入系统电源模块，使用万用表依次测试两级降压电路的输出电压，确认5V与3.3V输出电压正常，电压精度符合设计要求，无明显波动；随后分模块进行供电测试，依次给最小系统、传感器模块、人机交互模块、执行器驱动模块、无线通信模块供电，确认各模块供电正常，无发热、短路等异常情况。供电测试完成后，进行模块功能测试，逐个验证各硬件模块的功能是否正常：5.2软件测试测试按键子程序，确认按键的页面切换、参数调整、时间同步功能正常，可准确识别按键动作，无误触发、无响应的情况；测试显示子程序，确认页面可正常切换，显示内容准确，更新周期正常，无闪烁、乱码等情况；测试数据采集子程序，确认传感器数据采集正常，数据转换准确，双路数据平均值计算逻辑正常；测试定时器中断子程序，确认系统时间运行准确，无走时过快或过慢的情况，定时功能逻辑正常；5.3实物功能测试软硬件测试完成后，搭建模拟的家庭鲜葡萄保鲜环境，将系统组装入小型保鲜柜中，对系统的整体功能进行全面的实物测试，验证系统的各项功能是否符合设计要求，能否满足家庭鲜葡萄保鲜的实际需求。5.3.1本地监测与参数设置功能测试系统上电启动后，观察OLED显示屏，确认系统可正常进入主界面，实时显示保鲜空间内的温度、湿度、CO₂浓度与系统时间，显示的数值与高精度标准仪器检测的实际环境数据一致，数据采集准确，无明显偏差。随后通过按键进行页面切换操作，确认可正常循环切换7个显示页面，页面切换流畅，无卡顿、错乱情况；图5.1阈值设置5.3.2自动保鲜控制功能测试完成本地功能测试后，进行自动保鲜控制功能测试，通过调整保鲜空间内的环境参数，验证系统的自动控制功能是否正常。温度控制测试中，设置温度控制阈值为8℃，通过加热装置提升保鲜空间内的温度，当温度高于设定阈值时，系统可自动启动半导体制冷装置，通过PID算法调节制冷功率，可在短时间内将温度降至设定阈值附近，并将温度稳定控制在±0.5℃的范围内，控制精度符合设计要求，无明显的温度波动。图5.1系统实物图5.3.3定时通风功能测试定时通风功能测试中，设置两组不同的定时通风时间，分别设置为6点与18点，通风时长设置为30分钟，调整系统时间至设定的通风时间，确认系统可自动启动换气扇，满功率运行，同时累计通风时长，达到设定的30分钟后，可自动关闭换气扇，定时通风逻辑正常；非定时通风时段，系统可正常恢复CO₂浓度的PID闭环控制，无逻辑冲突。调整通风时长为1小时，重复测试，确认系统可按照设定的时长完成通风，定时功能准确，无提前停止或超时运行的情况，完全符合设计要求。图5.3定时通风5.4本章小结本章完成了系统的全面测试，依次进行了硬件测试、软件测试、实物功能测试，验证了系统各项功能的实现情况，同时进行了长期稳定性测试与保鲜效果验证。测试结果表明，本系统的各项功能均符合设计要求，运行稳定，参数控制精度高，保鲜效果良好，可有效满足吐鲁番家庭鲜葡萄保鲜的实际需求，达到了研究的预期目标。结论本研究针对吐鲁番家庭鲜葡萄保鲜的实际痛点，设计了一套以STM32F103C8T6单片机为核心的鲜葡萄保鲜自动控制系统，系统结合传感器技术、PID闭环控制技术与物联网技术，实现了保鲜空间内温度、湿度、CO₂浓度的实时监测与精准调控，同时具备定时通风、本地参数设置、超标声光报警、手机APP远程监测与控制等完整功能，完全适配家庭场景的使用需求。系统采用模块化的设计思路，硬件与软件设计均围绕家庭使用的稳定性、易用性与低成本需求进行优化，双路传感器采集有效提升了环境参数的检测精度，PID控制算法实现了温度与CO₂浓度的稳定精准控制，WiFi模块的接入实现了系统的物联网远程管理。经全面测试，系统运行稳定，各项功能均正常实现，控制精度符合设计要求，可有效延长吐鲁番鲜葡萄的家庭保鲜周期，解决了本地家庭鲜葡萄储存的实际问题。本系统操作简便、成本低廉、实用性强，具备较高的推广价值，同时系统的模块化设计为后续的功能升级预留了空间，后续可通过优化控制算法、增加更多环境参数检测、引入图像识别监测葡萄保鲜状态等方式，进一步提升系统的保鲜效果与智能化水平。参考文献邵千朔,黄桂丽,梁慧敏,等.鲜食葡萄保鲜技术研究进展[J].江苏农业科学,2024,52(4):17-22.李雪,张平,王强.葡萄采后表皮蜡质与果实贮藏品质的研究[J].食品工业科技,2024,45(12):1-9.[3]陆滢,管维良,陈山乔,等.马尾松-虎耳草复合精油保鲜处理对阳光玫瑰葡萄贮藏期内品质的影响[J].食品工业科技,2023,44(3):346-355.[4]林毅雄,张艳,李建明.基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜环境参数调控优化[J].华南农业大学学报,2022,43(6):112-120.[5]王健,李阳,张伟.基于PLC的小型家用果蔬保鲜控制系统设计[J].电子技术应用,2025,51(2):89-94.[6]刘畅,赵磊,陈明.基于STM32的家用食品存储监控系统设计与实现[J].单片机与嵌入式系统应用,2025,25(3):45-49.[7]张明,李强,王浩.基于STM32F103的智能冰箱系统设计与实现[J].电子测量技术,2025,48(5):123-128.[8]新疆农业科学院.吴斌研究员团队解密二氧化硫通过抑制细胞壁降解延缓巨峰葡萄软化机制[EB/OL].[9]新疆农业科学院.加工所贮运保鲜团队在二氧化硫增强采后葡萄抗病性方面取得进展[EB/OL]./info/1049/2274.htm,2024.[10]中国电子报.方太将工业级保鲜技术用于民用冰箱[N].中国电子报,2025-03-25(08).[11]ZhangC,WangQ,HeH,etal.PostharvestPreservationStrategiesforTableGrapes:AComprehensiveReviewfromPracticalMethodstoFutureDevelopments[J].Plants,2025,14(12):2462.[12]WuB,LiM,HuM,etal.Sulfurdioxideenhancestheresistanceofpostharvestgrapeberriestograymoldthroughhydrogenperoxidesignaling[J].PostharvestBiologyandTechnology,2024,215:113025.[13]LiY,ZhangL,WangJ.Exogenousγ-aminobutyricacidmaintainsthequalityof'RedGlobe'grapesduringcoldstorage[J].PostharvestBiologyandTechnology,2025,218:113102.[14]KayaA,YilmazS.ADeepLearningandIoT-BasedDual-StageSystemforDetectingFruitandVegetableSpoilageinSmartRefrigerators[J].JournalofFoodMeasurementandCharacterization,2025,19(4):1245-1258.[15]OkaforEC,OkoroCC.DesignAndImplementationofaRemoteMonitoringandControlSystemforTomatoStorageandPreservationUsingInternetofThingsTechnology[J].InternationalJournalofModernEngineeringResearch,2025,15(3):14-21.[16]Al-JunaidA,HassanM.AnintelligentAI-basedsustainablefoodpackagingandstoragesystemforwasteminimizationandenvironmentalsustainability[J].FrontiersinSustainableFoodSystems,2025,10:1812593.[17]KhanM,AliS.ApplicationofSmartPackaginginFruitandVegetablePreservation:AReview[J].FoodReviewsInternational,2023,39(8):1245-1268.[18]El-SayedA,MahmoudA.Adewcomputing-basedsmarttomatostoragemonitoringframework[J].JournalofSensors,2025,2025:9876543.[19]FatimahS,AliM.DesignandExperimentalValidationofaLow-CostColdStorageSystemforMixedVegetablesUsingInternetofThings[J].TechRxiv,2024.[20]YangN,LiJ.ResearchonIntelligentWarehouseCorruptionEarlyWarningSystemBasedonESP32[J].InternationalJournalofIntelligentSystemsandApplications,2025,17(2):45-56.

谢辞本论文从论文的选题、研究方案的设计，到系统的开发调试与论文的撰写修改，导师都给予了我细致的指导与宝贵的建议，导师严谨的治学态度、深厚的专业素养与耐心负责的教学态度，让我受益匪浅，在此向导师致以最诚挚的感谢。感谢学校为我提供了良好的学习环境与实验平台，让我能够顺利完成系统的开发与测试工作。感谢在学习过程中为我提供帮助的各位老师，是你们的悉心教导，让我掌握了扎实的专业知识，为本次研究的完成奠定了基础。感谢我的家人，你们一直以来的理解、支持与陪伴，是我能够安心完成学业与研究的坚强后盾，你们的鼓励是我不断前进的动力。求学之路漫漫，本次论文的完成是我学习生涯的一个节点，更是未来前行的新起点。在今后的工作与学习中，我将继续保持严谨的治学态度与不断探索的精神，不负所有帮助过我的人的期望。附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"dma.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/KEY/key.h"//按键驱动层头文件#include"./HAL/DELAY/delay.h"//延时驱动层头文件#include"./HAL/OLED/OLED.h"//OLED驱动层头文件#include"./HAL/ADC/myadc.h"#include"./HAL/beep/beep.h"#include"./HAL/dht11/dht11.h"#include"./HAL/LED/LED.h"#include"./HAL/RELAY/relay.h"#include"./HAL/PID/pid.h"#include"./HAL/AliESP8266/AliESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*///无自定义类型定义/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*/#defineRUN_TICK_MS10//系统运行基础节拍(ms)，用于周期性任务调度/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*///无自定义宏定义/*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*///系统节拍基准计数器，记录上一次周期性任务执行的时间戳uint32_trun_tick=0;//OLED当前显示页面索引，0=主界面、1/2=扩展界面uint8