基于STM32的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于STM32的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要溫度控制是工業(yè)控制的主要對(duì)象之一,常用的溫控?cái)?shù)學(xué)模型是一階性加上純滯后環(huán)節(jié),但其隨著加熱對(duì)象和環(huán)境條件的不同,會(huì)存在著較大的差異。因?yàn)闇乜貙?duì)象這種較為普遍的含有純滯后環(huán)節(jié)的特點(diǎn),容易引起系統(tǒng)超調(diào)和持續(xù)的振蕩,溫度控制對(duì)象的參數(shù)會(huì)發(fā)生幅度較大的變化?；赟TM32單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，采用溫度傳感器1收集實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境氣溫參數(shù)；利用無(wú)線通信藍(lán)牙模塊對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和控制、實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備間的信息交互等功能來(lái)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)溫度是否正常工作狀態(tài)以及終端監(jiān)控中心設(shè)置室溫上下限值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路及軟件程序兩個(gè)部分，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有體積小、功耗低及抗干擾性強(qiáng)性能好的優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)可擴(kuò)展方便且成本較低，便于在大規(guī)模生產(chǎn)中使用。關(guān)鍵詞：溫控系統(tǒng)；單片機(jī)；溫度傳感器；通信模塊

目錄TOC\o"1-3"\h\u43421緒論 STM32單片機(jī)實(shí)物圖如下圖所示。圖3-2STM32單片機(jī)核心板實(shí)物圖STM32單片機(jī)：溫度傳感器檢測(cè)到環(huán)境中空氣中有物體時(shí)發(fā)出信號(hào)并啟動(dòng)報(bào)警程序進(jìn)行處理后向CPU請(qǐng)求下一步操作；同時(shí)液晶顯示屏也把當(dāng)前室內(nèi)溫濕度值清晰直觀地展示出來(lái)給用戶看得到此時(shí)該人是否處于遠(yuǎn)程工作模式和判斷此人們是在干什么的，并向用戶展示此系統(tǒng)是否有任何異常現(xiàn)象發(fā)生。(2)遠(yuǎn)程溫濕度傳感器：溫度傳感器檢測(cè)到環(huán)境中空氣的含量，將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前時(shí)刻的溫度和濕度值以及對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)該環(huán)境下對(duì)人體有無(wú)缺陷物體進(jìn)行判斷。若是超過(guò)閾值則聲光報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)短信停止工作繼續(xù)通知用戶以達(dá)到降壓目的讓周圍舒適度提高用戶使用體驗(yàn)(3)無(wú)線模塊：本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是遠(yuǎn)程溫控室內(nèi)設(shè)備與上位PC之間數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送信息給控制端，使室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。4遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)4.1

驅(qū)動(dòng)程序遠(yuǎn)程溫控中，軟件驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)的最基本的部分。在程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行端口掃描將采集到數(shù)據(jù)傳送到串口上。再由主函數(shù)來(lái)調(diào)用子函數(shù)。首先需要編寫(xiě)一個(gè)初始化程序和中斷服務(wù)子令兩個(gè)執(zhí)行模塊作為啟動(dòng)條件；其次要利用定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)以及當(dāng)前時(shí)間清零完成停止工作等功能；再次是設(shè)置發(fā)送方發(fā)送給主控芯片的請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行判斷并發(fā)出控制指令，完成對(duì)遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的控制。最后通過(guò)軟件和硬件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到了在不同環(huán)境下進(jìn)行通信以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度等功能作用。圖4-3顯示子程序流程設(shè)計(jì)4.2

中斷處理串行中斷一般用于單片機(jī)的定時(shí)執(zhí)行功能操作。在硬件電路中，由于本設(shè)計(jì)是基于STM32微控制器而制作，需要對(duì)外部資源進(jìn)行判斷和控制。如果使用串口向主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警信息；反之則可以正常工作并發(fā)出指令給系統(tǒng)相應(yīng)地復(fù)位按鍵或者通過(guò)利用其他設(shè)備獲取到的參數(shù)作為中斷處理函數(shù)來(lái)完成自動(dòng)解除暫停執(zhí)行任務(wù)過(guò)程。4.3

數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸是遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的核心部分，也就是主控模塊，在系統(tǒng)中占據(jù)著非常重要的地位。本設(shè)計(jì)選擇了STM32單片機(jī)為中央處理器。1.溫度傳感器采集環(huán)境參數(shù)：采用熱敏電阻、光電數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DS18B20作為信號(hào)檢測(cè)對(duì)象；利用液晶顯示器LCD實(shí)時(shí)播報(bào)出當(dāng)前溫控值，用戶在調(diào)試的時(shí)候能夠清晰地看到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)什么問(wèn)題。2.遠(yuǎn)程溫控模式的選擇：采用主動(dòng)式PWM數(shù)據(jù)控制方式，通過(guò)溫度傳感器采集被測(cè)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度，再將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)模塊進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)收到信號(hào)后發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送速率和設(shè)定值之間速度大小、以及當(dāng)前精度等參數(shù)的判斷與設(shè)置過(guò)程；用戶可以利用液晶顯示屏LCD即時(shí)查看或斷開(kāi)溫控限閾值并可隨意修改調(diào)節(jié)系數(shù)以達(dá)到調(diào)速功能4.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是整個(gè)遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的靈魂，它決定了遠(yuǎn)程溫控裝置能否正常工作，并為實(shí)現(xiàn)這一功能而服務(wù)。本設(shè)計(jì)中硬件部分主要包括主程序、按鍵子程序和LCD液晶顯示屏。其中顯示控制電路包含：屏幕初始化電平轉(zhuǎn)換模塊；LED點(diǎn)陣顯示模塊(用于位盤(pán)).可通過(guò)調(diào)節(jié)屏來(lái)改變當(dāng)前顯示器上所要展示的字符數(shù)或數(shù)字字段等信息輸出狀態(tài)，以達(dá)到控制液晶屏的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量、顯示等功能。軟件部分主要包括主程序和按鍵子程序。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)作為核心控制器件來(lái)完成遠(yuǎn)程溫控裝置的整體硬件電路與軟件算法以及算法分析設(shè)計(jì)工作，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案可行性及可靠性高；最終在實(shí)驗(yàn)室成功制作實(shí)物模型以達(dá)到課題所要求實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)指標(biāo)后，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真測(cè)試結(jié)果證明該方法具有實(shí)用性、適用性能和經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)。圖4-4主程序流程圖LCD模塊在本系統(tǒng)中主要起著開(kāi)界面漢字顯示，以及各控制效果的顯示。采用直接訪問(wèn)方式。液晶顯示的操作流程圖如下圖4-2：了進(jìn)一步提高STM32芯片的工作效率，本文將操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)移植到芯片上計(jì)劃。同時(shí)用于組合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)智能手環(huán)的設(shè)計(jì)，破壞整個(gè)系統(tǒng)的低性能要求因?yàn)檫@個(gè)原因在系統(tǒng)運(yùn)行中提出了最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)lpm3，使系統(tǒng)在沒(méi)有程序的情況下可以直接進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，具體安排如圖4-4所示。圖4-4任務(wù)調(diào)度程序設(shè)計(jì)5系統(tǒng)誤差分析5.1

系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括：(1)響應(yīng)時(shí)間。由于遠(yuǎn)程溫控遠(yuǎn)程軟件開(kāi)發(fā)周期較短，只需要用戶下載并安裝即可運(yùn)行，因此要求界面友好、操作簡(jiǎn)單且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用；而其他人對(duì)程序的了解并不多見(jiàn)。通過(guò)對(duì)比分析相關(guān)資料和文獻(xiàn)可知系統(tǒng)在啟動(dòng)后可立即進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警處理等功能鍵入退出工作狀態(tài)或等待設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警、顯示以及學(xué)習(xí)控制。(2)容錯(cuò)能力及抗干擾性能高：普通溫控遠(yuǎn)程軟件開(kāi)發(fā)中，一般是在溫控室的溫度控制中使用閾值，當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，就會(huì)有相應(yīng)的控制作用。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置不同模式下對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)功能來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且不會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_或信號(hào)中斷現(xiàn)象；利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警、LED燈指示當(dāng)前實(shí)時(shí)檢測(cè)到位置及溫控室溫度超過(guò)設(shè)定范圍自動(dòng)啟動(dòng)繼電器控制加熱風(fēng)扇降溫和升溫水浴等，以滿足用戶的需求并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。5.2

測(cè)量原理遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)是通過(guò)遠(yuǎn)距離測(cè)量土壤環(huán)境信息的，其工作原理就是利用熱電效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流或電壓。由于在本系統(tǒng)中不需要進(jìn)行過(guò)循環(huán)交換能量。因此我們選擇的是閉合型紅外線發(fā)射二極管和紅外發(fā)射管作為檢測(cè)元件其中一個(gè)器件來(lái)完成對(duì)空間位置、距離等的測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度值與光照強(qiáng)度等級(jí)；另外一種特殊功能是當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可以通過(guò)自身電路內(nèi)的自鎖開(kāi)關(guān)控制發(fā)光二極管工作狀態(tài)從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要有兩個(gè)部分組成，硬件電路和軟件程序。其中，硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶模塊、溫度采集及顯示等外圍芯片。軟件則是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將處理結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)竭h(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的手機(jī)端用于戶主使用方便快捷地掌握家里環(huán)境信息實(shí)時(shí)變化；同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)用戶根據(jù)室內(nèi)情況調(diào)整其在設(shè)備上工作狀態(tài)從而達(dá)到控制終端設(shè)備運(yùn)行目的。本文介紹了遠(yuǎn)程溫控設(shè)計(jì)中采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)主要芯片，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要有兩個(gè)部分組成，硬件電路和軟件程序。其中，硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶模塊、溫度采集及顯示等外圍芯片。軟件則是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將處理結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)竭h(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的手機(jī)端用于戶主使用方便快捷地掌握家里環(huán)境信息實(shí)時(shí)變化；同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)用戶根據(jù)室內(nèi)情況調(diào)整其在設(shè)備上工作狀態(tài)從而達(dá)到控制終端設(shè)備運(yùn)行目的。5.3

系統(tǒng)溫度對(duì)系統(tǒng)精度的影響整個(gè)系統(tǒng)的工作原理就是通過(guò)遠(yuǎn)程溫控器對(duì)溫度進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，溫度傳感器會(huì)將采集到數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，然后單片機(jī)再根據(jù)命令與設(shè)置值之間存在線性關(guān)系輸出PWM脈沖信號(hào)給執(zhí)行器件(即主程序)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間進(jìn)而達(dá)到啟動(dòng)鍵或關(guān)閉鍵以及停止按鍵功能。6總結(jié)與展望6.1總結(jié)本設(shè)計(jì)主要完成一個(gè)遠(yuǎn)程溫控的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)溫度傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)室內(nèi)溫度來(lái)控制單片機(jī)。本次畢業(yè)論文中，我查閱了大量相關(guān)資料。在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到很多困難。但是經(jīng)過(guò)自己不斷地努力最終還是成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)：以STM32為核心控制芯片、用以太網(wǎng)模塊作為通信接口、使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程以及完成實(shí)物焊接與調(diào)試等任務(wù)要求；最后通過(guò)反復(fù)的測(cè)試和查找各種問(wèn)題并加以修改完善本次畢業(yè)論文所達(dá)到的基本功能，完成此次畢業(yè)論文。本次設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)，主要是通過(guò)通信模塊來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)顯示、控制調(diào)節(jié)。6.2

展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題為遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)。雖然在開(kāi)始測(cè)試之前，只是對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件方面做了一些簡(jiǎn)單介紹，但是由于時(shí)間倉(cāng)促，我的能力還很有限。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目也不是太成熟所以還有很多需要完善與改進(jìn)之處：首先是硬件方面，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)的核心就是軟件，所以我需要在單片機(jī)和液晶顯示屏上進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。其次是軟件部分。最后一個(gè)模塊就是主控芯片子程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所涉及到的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)功能了：溫度采集、按鍵設(shè)置、聲光報(bào)警以及LCD顯示等內(nèi)容來(lái)對(duì)環(huán)境因素參數(shù)做出判斷并發(fā)送指令給終端設(shè)備(例如APP平臺(tái))，同時(shí)也可以通過(guò)手機(jī)app客戶端和云端數(shù)據(jù)庫(kù)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與交互。參考文獻(xiàn)[1]聶宵,徐廣平,房孝俊.基于STM32的高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外,2020,50(1):4.[2]孟慶喜,陳紅,王錫淮,等.基于STM32的遠(yuǎn)程移動(dòng)通信及無(wú)線溫控設(shè)計(jì)[J].2022(11).[3]嚴(yán)向文.基于STM32的醫(yī)用多路溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù),2021(2):4.[4]楊秀秀,晏菁.基于STM32的多功能溫控風(fēng)扇設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2021(19):3.[5]謝凌菲.基于STM32的空間環(huán)模設(shè)備熱沉溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西北師范大學(xué),2020.[6]戴明、李軍科、孟召議.基于STM32處理器與Modbus/485協(xié)議的主軸電機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2020,20(4):6.[7]段英宏,肖燦,張昊杰,等.一種基于STM32的養(yǎng)殖場(chǎng)廠房溫度控制系統(tǒng):,CN211180678U[P].2020.[8]洪順利.基于ZigBee技術(shù)的人體感應(yīng)溫控風(fēng)扇設(shè)計(jì)[J].造紙裝備及材料,2020,49(1):2.[9]袁剛,徐俊,程明利,等.基于STM32的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2022(11).[10]李浩正,陳良展,張騰.基于STM32單片機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)大眾：科技創(chuàng)新,2020(2):2.[11]劉紹麗,王獻(xiàn)合.基于STM32單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2022(21).[12]劉奕雯,楊靈威,李奕,等.基于STM32的智能溫度控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化,2021(7):3.[13]呂英俊,于佩伶,張廣林,等.基于STM32的密閉系統(tǒng)溫度控制研究[J].2022(5).[14]張憲陽(yáng)、謝邵春、丁黎明、舒薇、張宇凡.基于STM32的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2020(17):3.[15]孟穎,張貴陽(yáng),魏曉馬,等.基于STM32半導(dǎo)體制冷片溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2022(21).[16]吳天春,丁茹.基于STM32單片機(jī)PID溫控學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2022(10).[17]趙丹丹,李紅指導(dǎo).基于STM32的遠(yuǎn)程廚房安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2021,28(11):3.[18]溫世堅(jiān),張偉波.基于STM32的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2022(5).[19]李鑫、張釗、黃炯、曾志嶸、程樹(shù).基于STM32的汽車空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2020,51(20):2.[20]莊婧昱,劉忠富.基于STM32的遠(yuǎn)程人體參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2022(6).[21]劉正翔.基于STM32的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2020,42(3):5.[22]賈誠(chéng)安,葉林,葛俊鋒,等.一種基于STM32和ADS1248的數(shù)字PID溫度控制系統(tǒng)[J].2022(11).[23]徐宇寶,林華,王子權(quán).基于STM32智能溫控自調(diào)速風(fēng)扇PID控制研究[J].2022(5).[24]李文濤,余福兵.基于STM32單片機(jī)的電阻爐智能溫度控制器的設(shè)計(jì)[J].2022(1).[25]張煜葵,吳濤,周穎,等.基于STM32的簡(jiǎn)易靜力觸探采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2020.[26]李紅巖,劉韓飛,王偉峰,等.基于STM32的DFB氣體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2021.[27]韋宏利,周建波,王晴悅,等.基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2021,40(9):6.[28]張衛(wèi)鋒,劉致君,張燦祥.基于PID算法的疫苗保溫箱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2021,49(7):6.[29]劉吉名,白小峰,何世安.基于位置式PID溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].環(huán)境技術(shù),2020,38(6):5.[30]姚立平,劉偉章,吳文明,