单位文秘网 2021-10-14 08:14:46 点击: 次
思想,各程序模块功能独立,模块之间接口连接。系统软件的总体流程如图4所示。
系统开机初始化以后进行监测数据的采集,将检测到的数据送至STM32进行分析处理。STM32将监测的数据送至显示模块进行显示,另外根据监测值与设定值的比对,确定是否进行分级的自适应调节。对于环境参数严重超标的情况,进行报警处理。程序主要涉及到的功能模块有:
(1) 数字温湿度传感器模块:根据SHTx数字温湿度传感器的通信机制,编写读写时序。
(2) 灰尘传感器模块:对其检测到的AQI值模拟量进行A/D转换。
(3) OLED显示模块:完成SSD1306与STM32的数据通信,实现监测数据在OLED上的刷新显示。
(4) 串口转WiFi模块,完成ROM4与STM32的数据通信,实现监测数据手机在APP上的实时显示。
(5) 自适应调节模块,实现外设PWM多级自适应调节功能。
3.2 数字温湿度传感器软件设计
SHT1x温湿度传感器自身具备A/D转换功能,在软件设计方面主要是完成温湿度传感器与主控芯片之间的数据通信,由于其自身对温湿度的监测具有较高的灵敏性,且集成的A/D转换具备内部校准机制,具有较高的准确性,在软件设计方面主要注重其实时性。数据通信采用两线双向的串口连接方式, 其一组完整的数据传输过程包括:启动传输、指定位写命令、等待传输结束、数据传输、CRC校验。具体介绍如下:
(1) 启动传输。启动SHT1x温湿度传感器数据传输的时序如下:在SCK时钟为高电平期间,DATA由高电平翻转为低电平,在SCK相邻的下一个高电平时。DATA再由低电平翻转为高电平,以此作为数据传输的启动信号。
(2) 指定位写命令。目前用到的写命令地址为:000,SHT1x温湿度传感器监测的温湿度数据由同一条数据线传输,传输数据由5位命令位决定(温度数据:00011;湿度数据:00101),例如:图5为在地址位000写入传输湿度数据命令时序图。
(3) 等待测量结束。为了保证温湿度监测的实时性,软件的编程采用交差采集的方法,即温度与湿度的数据采集交替进行。但同时为了兼顾数据采集的完整性,在写入测量切换命令以后,要经过至少320 ms的延时,等待上一组数据测量结束。SHT1x通过下拉 DATA四个时钟周期表示进入空闲模式。接下来是2 B的测量数据,其传输时序如图6所示,传输的为湿度数据:100100110001,对应湿度75.79 %RH。为确保传输数据的正确性,选择 8位CRC奇偶校验码进行校验。此外,当SHT1x温湿度传感器与主控芯片STM32的数据通信发生异常时,SHT1x温湿度传感器将DATA拉高9个时钟周期,产生复位信号。
3.3 灰尘传感器软件设计
GP2Y1010AU0F灰尘传感器自身不具备A/D转化功能,本设计借助STM32内部自带的A/D转换功能完成对灰尘传感器采集数据模拟量的量化。A/D转换通过调用STM32内部库函数实现,为确保其转换精度,转换过程中使用两次均值滤波。对模拟量进行连续10次数字采集,然后依次排序,去掉最大值和最小值,最后求平均值作为A/D转换的模拟量输入。对量化后的数字量进行同样的均值滤波处理,以提高A/D转化的精度。
3.4 PWM多级调节的软件设计
此设计使用STM32内部定时器3的4个独立通道(TIM3_CH1,TIM3_CH2,TIM3_CH3,TIM3_CH4)分别控制散热风扇、加湿器、过滤风扇、电热风扇的驱动电路。脉冲控制调制可以产生一个由TIM3_ARR(捕获/比较寄存器)确定频率,由TIM3_CCR(自动重装载寄存器)确定占空比的信号。当定时器的计数CNT小于CCR的值时,对应GPIO口输出低电平(有效电平),当定时器的计数CNT大于CCR的值时,对应GPIO口输出高电平。通过调整TIM3_CCR的重装载值,即可调整GPIO输出电压的占空比,从而达到I/O控制外设实现多级调节的效果。其控制原理如图7所示。
3.5 OLED显示模块软件设计
OLED模块主要实现监测数据在液晶屏上的实时显示,软件设计主要针对OLED的驱动芯片SSD1306进行编程。OLED显示屏采用4线SPI的方式与主控芯片STM32进行数据通信,在此传输方式下,只支持对SSD1306芯片的写操作,其时序如图8所示。传输过程中,每个数据长度为8 b,CS作为片选信号,低电平有效。DC命令数据引脚,低电平表示写命令,高电平表示写数据。数据通过串行数据线SDIN,以高位在前的顺序,在SCLK的上升沿移入SSD1306。
另外对传统的OLED 4线制SPI接口通信数据重叠的问题,本文以软件的方式,通过虚拟SSD1306显存的方法予以解决。通过构建OLED_Refresh_Gram 函数。在STM32内部定义了一个缓存区SRAM:u8 OLED_GRAM[128][8];此部分 SRAM 对应 SSD1306芯片的 GRAM。每次数据刷新的时候,只要修改 STM32 内部的缓存区GRAM,然后通过OLED_Refresh_Gram 函数把缓存区的数据一次性刷新到 OLED 的 GRAM 上。另外,每次显示前对数据的逐位修改都发生在STM332缓存区的内部,这样大大提高了刷新速度。
3.6 串口转WiFi模块软件设计
WiFi模块的引入只要是为了实现监测数据在用户手机APP客户端进行实时显示,在主控芯片STM32与手机APP客户端之间起到数据传输的桥梁作用。 此模块程序主要完成了ROM4与主控芯片STM32之间的I2C串口通信(包括GPIO的工作模式、串行通信的初始化、中断函数的初始化、数据的接收等)。
4 系统测试
系统测试主要是针对系统设计的可行性及系统运行的稳定性、实时性、灵敏性进行验证。室内空气质量检测级自适应调节系统硬件实物如图9所示。
(1) 监测及显示功能测试。主要测试传感器模块对室内空气温湿度、AQI值监测的实时性、灵敏性以及显示模块功能的实现。系统上电复位以后(约3 s),OLED显示屏便开始进行室内空气温湿度、AQI值的实时显示,检测数据大约每2 s刷新一次。另外,通过串口转WiFi模块,经路由调制实现了监测数据手机客户端的实时显示。
监测数据显示界面如图10所示。
(2) 多级自适应调节测试。主要对系统的多级自适应调节功能进行测试,使用吹风机改变系统传感器局部的温湿度来模拟室内空气温湿度的变化,利用香烟改变灰尘传感器局部AQI值模拟室内空气AQI值的变化。为了使实验现象更加明显,此处使用LCD显示屏进行级调的可视化显示。实验表明:在室内空气质量相关参数可调的范围内,系统可进行有效的多级自适应调节。
(3) 系统报警功能测试。主要是对室内空气质量相关参数的过度超标温度进行报警提示,将吹风机调至热风靠近温湿度传感器,温度迅速超过40 ℃(湿度变化较慢),报警单元动作(蜂鸣器报警,红色LED闪烁)。报警复位后将点燃的香烟靠近灰尘传感器,AQI值迅速超过200,报警单元进行报警提示。
(4) 系统运行可靠性测试。为验证系统运行的可靠性,在宁夏银川北方民族大学智能建筑实验室进行了数据的测试,其中24 h的监测数据走势如图11所示。
5 结 语
本文针对居家环境室内空气质量的问题,设计出了一套以STM32F103CBT6 为主控芯片的室内空气质量监测多级自适应调节系统。本系统可很好地完成对室内空气温湿度、AQI值的实时监测显示、多级自适应调节及报警功能。系统软硬件均采用模块化设计思想,不仅有利于系统的维护升级,也方便本设计在智能家居领域的嵌入。实验表明:该系统在室内空气质量监测的过程中具有很好的实时性及灵敏性,且运行稳定,达到了预期设计的效果,在智能家居领域具有一定的应用前景。
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