基于STM32温室大棚气象数据采集器的设计.pdf

2016 年广东省大学生创新训练计划基金资助项目 编号 201613720003 收稿日期 2018 10 17 摘 要 为 了 实 时 监 控 温 室 大 棚 的 气 象 数 据 防 止 作 物 受 到 棚 内 温 度 湿 度 等 大 气 因 素 影 响 产 量 设 计 了 一 款 低 功 耗 的 自 动 气 象 数 据 采 集 器 主 要 是 对 气 压 温 度 湿 度 PM2 5 PM10 海 拔 高 度 等6 项 数 据 进 行 采 集 该 气 象 数 据 收 集 器 以STM32F103ZET6 为 载 体 以 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS III 为 控 制 核 心 应 用 气 压 传 感 器 模 块 PM2 5 PM10 传 感 器 模 块 温 湿 度 传 感 器 模 块 OLED 液 晶 显 示 模 块 完 成 气 象 要 素 的 数 据 采 集 并 对 数 据 进 行 控 制 和 计 算 该 设 计 具 有 模 块 化 的 特 点 可 单 独 完 成 检 测 并 且 具备可靠的性能 多次测试证明 该系统具有良好的稳定性 关键词 大棚气象数据 STM32F103ZET6 DHT11 BMP180 PM2 5 PM10 传感器 中图分类号 TP29 文献标识码 A 文章编号 1009 9492 2019 01 0069 03 Design of Meteorological Data Collector Based on STM 32 Greenhouse ZHANGWen le YANGJing jing ZHONGLin qiang IndustrialAutomation GuangdongPolytechnicCollege Zhaoqing526100 China Abstract In order to monitor the meteorological data of greenhouse in real time and prevent crops from being affected by atmospheric factors such as temperature and humidity in greenhouse A low power automatic meteorological data acquisition device was designed which mainly collected 6 data such as air pressure temperature humidity PM2 5 PM10 and altitude The meteorological data collector uses STM32F103ZET6 as the carrier embedded real time operating system C OS III as the control core and uses pressure sensormodule PM2 5 PM10sensormodule temperatureandhumiditysensormodule OLEDliquidcrystaldisplaymoduletocomplete the data collection of meteorological elements and controls and calculates the data The design has the characteristics of modularization cancompletethedetectionindependently andhasreliableperformance Testsshowthatthesystemhasgoodstability Key words greenhousemeteorologicaldata STM32F103ZET6 DHT11 BMP180 PM2 5 PM10sensor 基于 STM 32 温室大棚气象数据采集器的设计 张文乐 杨晶晶 钟林强 广东理工学院 工业自动化系 广东肇庆 526100 DOI 10 3969 j issn 1009 9492 2019 01 022 0 引言 温 室 大 棚 是 没 有 实 时 监 控 的 农 业 生 产 设 施 农 作 物 产 量 容 易 受 到 棚 内 温 湿 度 的 影 响 因 此 温 室 大 棚 内 的 温 湿 度 监 控 显 得 极 为 重 要 温 室 大 棚 内 部 有 一 系 列 的 仪 器 能 检 测 棚 内 的 情 况 但 不 具 备 自 动 化 系 统 这 样 的 设 备 因 此 为 了 提 高 农 作 物 产 值 需 要 人 为 地 监 控 棚 内 的 气 象 数 据 以 便 评 估 气 象 信 息 对 农 业 生 产 的 危 害 程 度 提 高 应 对 突 发 天 气 状 况 的 能 力 1 气 象 数 据 收 集 器 用 于 监 控 实 时 气 压 温 度 湿 度 PM2 5 PM10 海 拔 高 度 等 数 据 可 随 时 了 解 所 处 位 置 的 相 关 气 象 即 时 数 据 以 便 作 出 应 对 措 施 后 阶 段 还 可 以 升 级 产 品 利 用 网 络 通 信 把 收 集 好 的 数 据 上 传 云 端 或 传 输 到 气 象 中 心 计 算 机 气 象 数 据 库 中 用 于 统 计 分 析 这 种 气 象 数 据 收 集 器 不 仅 在 农 业 上 有 着 重 要 作 用 而 且 对 预 测 以 及 防 范 可 能 发 生 的 气 象 灾 害 也 有 着 非 常 重 要 的 意义 1 系统结构构成 在 该 设 计 中 使 用 的 主 要 元 器 件 和 传 感 模 块 有 微 处 理 器 STM32F103ZET6 单 片 机 BMP180 气 压 检 测 模 图1 系统框图 机电工程技术 2019 年第 48 卷第 01 期 设计与仿 真 69块 液 晶 显 示 模 块 TFTLCD PM2 5 PM10 检 测 模 块 DHT11 温 湿 度 检 测 模 块 以 及 有 源 蜂 鸣 器 该 设 计 的 气 象 数 据 收 集 器 工 作 原 理 是 MCU 通 过 读 出 温 湿 度 传 感 器 PM2 5 PM10 传 感 器 气 压 传 感 器 的 数 据 信 息 然 后 把 具 体 数 值 显 示 在TFT 液 晶 模 块 上 和 回 发 到 串 口 上 并 通 过 2 4G 无 线 模 块 把 数 据 信 息 发 送 到 其 他 设 备 上 进 行 气 象 数 据监测 2 图1 为整个数据采集系统的结构图 2 硬件系统开发 2 1 系统电源电路模块 如 图2 所 示 该 设 计 的 硬 件 系 统 电 源 分 为 两 部 分 一 部分 是外 设工 作电 源VCC5V 另一 部分 是处 理器 工作 电源 VCC3V 该 系 统 用 的 是3 7V 380mAh 的 锂 电 池 来 供 电 如 图3 所 示 电 池 是3 7V 而 该 硬 件 系 统 需 要 用 的 则 是5 V 和3 3 V 电 压 的 电 源 所 以 硬 件 系 统 设 计 的 第 一 步 是 对 其进行变压电路设计 3 考 虑 到 变 压 后 电 压 稳 定 性 的 问 题 先 将 电 压 升 到5V 再 降 压 到3 3 V 如 图2 所 示 使 用SX1308 升 压 芯 片 来 提 升 电 压 并 根 据 其 数 据 手 册 搭 建 稳 压 电 路 根 据 数 据 手 册 可 知 道SX1308 升 压 芯 片 支 持2 24V 的 宽 电 压 输 入 所 以 使 用 的 锂 电 池 的3 7V 电 压 是 在 其 输 入 范 围 内 的 根 据 式 1 计算 R1 和 R2 的比值 V OUT V REG 1 R 1 R 2 1 式 中 VOUT 为 输 出 电 压 VREG 为 反 馈 电 压 0 6V R1 为 上 边 分 压 电 阻 R2 为 下 表 分 压 电 阻 R2 的 常 用 值 为 10k 4 查表1 可以得到 R1 和 R2 的电阻值 根 据 上 面 的 设 计 完 成 系 统 的5V 电 压 设 计 接 下 来 就 是3 3V 电 压 的 设 计 气 象 收 集 器 直 接 使 用HT7833 三 端 稳 压 器 把5V 电 压 降 低 到3 3V 至 此 硬 件 电 路 的 电 源 系 统即完成 5 2 2 传感器模块电路 该 收 集 器 中 引 出4 个 传 感 器 接 口 分 别 是 DHT11 温 湿 度 检 测 模 块 PM2 5 PM10 检 测 模 块 BMP180 气 压 检 测 模 块 和24L01 无 线 传 输 模 块 6 下 面 分 别 介 绍 各 个 模 块 的电路设计 1 DHT11 温 湿 度 传 感 器 是 单 总 线 单 工 通 讯 电 源 接 3 3V 在 数 据 线 上 接 一 个4 7k 的 上 拉 电 阻 电 路 接 法 如 图4 所示 2 PM2 5 PM10 传 感 器 硬 件 电 路 PM2 5 PM10 传 感 器 的 TXD 和 RXD 分 别 接 到 STM32F1 芯 片 上 的 RXD 和 TXD 再接上5V 电源和地 7 电路接法如图5 所示 3 BMP180 气 压 传 感 器 其 通 讯 方 式 是IIC 通 讯 IIC 的 通 讯 线 有 两 根 分 别 是 时 钟 线SCL 和 数 据 线SDA 图2 电源模块 图3 锂电池 图4 DHT11 电路接法 图5 PM2 5 传感器驱动电路 表 1 电压设置表 VOUT V 5 10 12 R1 k 73 2 158 191 R2 k 10 10 10 VOUT V 15 20 R1 k 240 324 R2 k 10 10 图6 BMP180 驱动电路 机电工程技术 2019 年第 48 卷第 01 期 设计与仿真 70 下转第151 页 张文乐 等 基于STM32 温室大棚气象数据采集器的设计 这 两 根 线 分 别 接 到STM32F1 中IIC 的SCL 和SDA 引 脚 无 线 模 块24L01 是 通 过SPI 通 讯 协 议 传 输 数 据 的 SPI 通 讯 是 一 种 高 速 全 双 工 同 步 的 通 讯 总 线 8 该 通 讯 模 式 需 要4 根 线 分 别 是 MISO 主 设 备 数 据 输 入 从 设 备 数 据 输 出 MOSI 主 设 备 数 据 输 出 从 设 备 数 据 输 入 SCLK 时 钟 信 号 由 主 设 备 产 生 CS 从 设 备 片 选 信 号 由 主 设 备 控 制 电路接法如图6 所示 4 NRF24L01 的2 4G 无 线 传 输 模 块 的 电 路 该 模 块 的 通 讯 方 式 为SPI 通 讯 此 通 讯 方 式 需 要4 根 数 据 线 分 别 是MISO MOSI CSN CE 这 些 数 据 线 和 处 理 器 的 管 脚 功 能 相 同 的 连 接 NRF24L01 支 持 多 信 道 通 讯 NRF24L01 驱动电路接法如图7 所示 3 软件编写 3 1 开发软件环境搭建以及开发思路 在 该 设 计 中 选 用STM32F1 系 列 的 处 理 芯 片 编 程 软 件 是MDK5 该 编 程 软 件 编 程 与51 单 片 机 编 程 最 大 的 不 同 是 它 有 一 个ST 官 方 库 该 固 件 库 就 是 函 数 的 集 合 提 供 用 户 函 数 调 用 的 接 口 API 该 库 的 出 现 大 大 方 便 了 开 发 人 员 的 开 发 速 度 也 是 管 理 操 作STM32F1 众 多 寄 存 器 的 管 理工具 MDK 源 自 德 国 的KEIL 公 司 是RealView MDK 的 简 称 在 全 球 范 围 内 MDK 被 超 过10 万 的 嵌 入 式 开 发 工 程 师 使 用 目 前 最 新 版 本 为 MDK5 14 该 版 本 使 用uVi sion5 IDE 集 成 开 发 环 境 是 目 前 针 对ARM 处 理 器 尤 其 是CortexM 内 核 处 理 器 的 最 佳 开 发 工 具 MDK5 向 后 兼 容 MDK4 和MDK3 等 以 前 的 项 目 同 样 可 以 在MDK5 上 进 行 开 发 MDK5 同 时 加 强 了 针 对Cortex M 微 控 制 器 开 发 的 支 持 并 且 对 传 统 的 开 发 模 式 和 界 面 进 行 了 升 级 MDK5 由 两 个 部 分 组 成 MDK Core 和Software Packs 其 中 Soft warePacks 可 以 独 立 于 工 具 链 进 行 新 芯 片 支 持 和 中 间 库 的 升级 在MDK5 上 新 建 工 程 的 方 法 是 建 文 件 夹 新 建 项 目 添 加 固 件 库 选 择 芯 片 型 号 在 本 设 计 中 选 用 的 是 STM32F103ZET6 添 加 内 核 文 件 创 建main c 函 数 添 加 包 含 头 文 件 并 选 择 生 成HEX 文 件 选 择 晶 振 频 率 选 用8MHZ 晶振 选择调试工具 9 3 2 系统编程思路 图8 为 该 系 统 的 处 理 流 程 该 系 统 第 一 步 为 初 始 化 所 有 的 硬 件 设 备 使 其 在 工 作 状 态 然 后 配 置 中 断 优 先 级 和 延 时 函 数 然 后 对 各 种 传 感 器 进 行 数 据 读 出 计 算 处 理 然 后 显 示 显 示 在OLED 显 示 屏 上 并 通 过24l01 无 线 模 块 转 发 10 4 实物展示 图9 为 气 象 数 据 收 集 器 内 部 硬 件 实 物 图 和 气 象 数 据 收 集器外观图 图8 系统编程思路 图7 NRF24L01 驱动电路 图9 硬件实物和气象收集器外观图 图10 串口调试 设计与仿 真 714 青岛港口场桥的运用与效益分析 青 岛 港 口 场 桥 起 升 机 在 使 用ABB 变 频 器ACS 系 列 后 其 运 行 情 况 发 生 了 较 大 改 观 经 济 效 益 得 到 明 显 提 升 首 先 在 未 使 用 变 频 器 之 前 其 每 年 维 修 费 用 为146 万 元 而 在 使 用 后 每 年 的 维 修 费 用 降 为98 万 元 其 次 未 使 用 变 频 器 之 前 变 频 器 的 维 修 保 养 时 间 为1216h 而 在 使 用 之 后 维 修 保 养 时 间 降 低 为368 h 确 保 了 起 升 机 的 稳 定 运 行 最 后 未 使 用 变 频 器 前 84 台 场 桥 因 故 障 导 致 的 误 工 时 间 为76 天 而 在 使 用 变 频 器 之 后 误 工 时 间 仅 为23 天 提升了工作效率 5 结束语 通 过 不 断 实 践 总 结 企 业 加 深 对 变 频 器 的 了 解 掌 握 常 见 故 障 的 处 理 方 法 不 但 节 省 维 修 成 本 也 缩 短 变 频 器 故 障 的 维 修 处 理 时 间 提 升 设 备 的 使 用 效 率 与 可 靠 性 保 证 变 频 器 等 设 备 处 于 正 常 运 行 模 式 为 一 线 采 矿 作 业 提 供 更多高效的运行设备 参考文献 1 禹 利 华 ABBACS800 变 频 器 在 低 压 变 频 电 机 和 永 磁 风 力 发 电 机 试 验 台 上 的 应 用 J 中 国 新 技 术 新 产 品 2016 04 15 2 罗 秀 红 低 压ABB 变 频 器 的 维 护 保 养 及 常 见 故 障 诊 断 J 热电技术 2013 04 3 齐 书 鹏 低 压ABB 变 频 器 的 维 护 保 养 及 常 见 故 障 诊 断 方法 J 电子世界 2016 06 88 4 王 云 彪 以 西 门 子 和ABB 为 例 谈 变 频 器 在 工 程 中 的 实 践应用 J 数字技术与应用 2014 02 114 5 魏 正 旺 孔 波 ABB 变 频 器 在 生 产 加 工 中 的 可 靠 运 用 J 电子世界 2017 10 145 146 6 金 綦 庆 曹 志 刘 群 峰 等 一 种 新 型ABB 变 频 器 误 动作的处理 J 石化技术 2016 10 66 67 7 史 坚 青 ABB 中 压 变 频 器 在 煤 矿 主 斜 井 皮 带 机 上 的 应 用 J 机械管理开发 2016 08 102 103 8 夏 际 先 ABB 变 频 器 应 用 误 区 及 应 对 策 略 J 电 世 界 2015 09 7 8 作 者 简 介 曹 龙 男 1988 年 生 山 西 灵 石 人 大 学 专 科 助理工程师 研究领域 机电 编辑 王智圣 上接第71 页 当 硬 件 系 统 通 电 测 试 成 功 后 就 可 进 行 软 件 烧 写 编 程 调 试 了 STM32F1 核 心 板 是 配 有 专 门 的 程 序 下 载 器 J LINK 该 下 载 器 支 持 在 线 调 试 这 将 大 大 有 利 于 软 件 的 debug 除 了 这 个 还 可 以 使 用 串 口 调 试 图10 为 串 口 调 试 的截图 5 结束语 大 棚 的 农 作 物 很 容 易 受 到 棚 内 温 度 湿 度 等 大 气 因 素 影 响 产 量 笔 者 设 计 的 低 功 耗 自 动 气 象 采 集 器 大 大 方 便 了 工 作 人 员 时 刻 监 控 大 棚 的 气 象 数 据 变 化 情 况 从 测 试 结 果 可 以 看 出 数 据 采 集 正 确 输 出 稳 定 存 储 顺 利 从 而 证 明 该气象数据采集器的可使用性 参考文献 1 钟 新 平 基 于 单 片 机 的 温 室 大 棚 环 境 参 数 自 动 控 制 系 统 D 南宁 广西大学 2011 2 张 毅 刚 单 片 机 原 理 及 应 用 M 2 版 北 京 高 等 教 育出版社 2010 3 王 倢 婷 传 感 器 及 应 用 M 2 版 北 京 中 国 劳 动 社 会出版社 2014 4 沈 聿 农 传 感 器 及 应 用 技 术 M 3 版 北 京 化 学 工 业出版社 2014 5 顾 洁 基 于 单 片 机 的 图 书 馆 温 湿 度 检 测 系 统 设 计 J 长春师范大学学报 2014 6 任 冰 基 于 单 片 机 的 温 湿 度 测 量 系 统 设 计 J 科 技 展望 2015 7 郭 天 祥 新 概 念51 单 片 机C 语 言 教 程 入 门 提 高 开 发 拓 展 全 攻 略 M 北 京 电 子 工 业 出 版 社 2009 8 王 新 平 温 湿 度 信 号 采 集 系 统 的 设 计 与 实 现 D 成 都 电子科技大学 2015 9 潘 永 雄 新 编 单 片 机 原 理 与 应 用 M 西 安 电 子 科 技 大学出版社 2010 10 杨 扬 农 业 大 棚 远 程 监 控 系 统 的 设 计 D 哈 尔 滨 哈尔滨理工大学 2014 第 一 作 者 简 介 张 文 乐 男 1995 年 生 广 东 湛 江 人 大 学本科 研究领域 自动控制 通 讯 作 者 简 介 杨 晶 晶 女 1982 年 生 广 东 乐 昌 人 硕士研究生 讲师 研究领域 自动控制 编辑 麦丽菊 曹 龙 ABB 变频器ACS800 系列常见故障与维护 经验交 流 151