基于STM32的便携式海量温湿度记录仪设计 *

2012-08-13易金聪

电子技术应用 2012年12期

罗超,景林,易金聪

（福建农林大学计算机与信息学院，福建福州 350002）

温湿度信息在实验室、仓储、货运、建筑及农林医药等众多场合作为重要的参数，需要对其精确测量，并期望能记录相关数据供后期读取、分析及可追朔之用。

温湿度信息的采集常用的方法有两种。早期单片机完成数据采集，由上位机对数据进行记录、分析；市场主要产品把数据记录在EEPROM、Flash或U盘等存储介质中，利用计算机通过特定软件查看导入数据。前者完全依赖 PC，数据方便保存为 excel、txt、word的文件格式，数据处理方便、快捷，并有利于与其他监控系统结合，但不适用于没有或不方便接入PC机的应用场合[1]；后者摆脱了计算机独立工作，具有便携等优点，但受存储容量的限制，记录最多几万条，无法满足常年或多年记录需求,同时需要特定读取软件，造成使用不方便。其中U盘作为存储介质的,需开发USB主机，实现复杂、成本高，且读/写U盘耗电量较大[1]，不适合便携式。

鉴于温湿度记录仪发展现状，结合既有产品的优缺点，本文研究了一种以 STM32F103为核心，NTC、HS1101为温湿度传感器，TF卡为存储载体，LCD点阵等构成硬件；Fireware固件程序、FAT32文件系统及外设驱动构成软件系统，数据以txt文件存储的便携式海量温湿度记录仪方案。具有不依赖PC、海量存储、无需专门软件读取、低功耗、高精度、便携式、使用方便等特点。

1 硬件电路设计

硬件采用STM32F103微处理器，包括DC-DC电源管理、LCD、TF卡、键盘及HS1101和NTC温湿度传感器模块。系统总体结构框图如图1所示。为满足便携式和电池供电，器件选型、硬件电路、软件均考虑低功耗设计。

1.1 微处理器

微处理器 STM32F103[2]是 ARM CortexTM-M3内核的32位低功耗 MCU，工作电压 2.0～3.6 V，主频达 72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。有睡眠、停机和待机三个低功耗模式。内括 12 bit的 ADC、DMA控制器；支持定时器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART 等外设;提供欠压复位、ECC、MPU、侵入监测、双看门狗、32位CRC、I/O端口保护和JTAG熔断器等安全功能。综合各项参数，STM32F103RB是本方案最适合的微处理器之一。

图1 系统总体框图

1.2 电源电路设计

为考虑便携式设计，电源供给采用两节5号电池。电路中存在精密传感器，对电源恒压及干扰信号隔离有严格要求，结合MCU、LCD、TF等外围供电考虑，主电源定为3.3 V。因电池电压工作会变化及效率等因素，对多种电源方案实验比较,选用Analogic公司AAT1265-3.3[3]DC-DC，输入电压 0.8 V～3.3 V，提供电流达 250 mA，理想效率超过93%。

电路如图2所示，VDD1为输入的电池电压,可在0.8～3.3 V之间，输出为稳定3.3 V。实验测试发现，波动在±0.05 V范围以内，负载效率均在90%以上，是理想电源方案。

1.3 温度电路设计

温度传感器选用千分之一NTC M58模拟温度传感器，R值10 kΩ、B值 3 450。具有高性价比、高精度、测温范围广、线性好等优点。

电路如图3所示，标准电阻 R(10 kΩ，0.1%)与 Rt分压,得到与温度有关的电压送至 MCU的 ADC，0.1 μF去耦滤波。

1.4 HS1101湿敏电路设计及一致性调试

HS1101[4]是 Humirel公司的湿敏电容,测量范围 0%～100%RH(162～200 pF)，曲线精度±2%RH（10%～90%），湿度系数 0.34 pF/℃，年漂移量 0.5%RH/年，工作温度-40～100℃，具有线性度好、稳定性高等特点。

通过555定时器将电容值变换为频率信号，电路如图3。其中R11、R4均选1%精密电阻，输出与湿度有关的频率信号送至MCU。

HS1101出厂前并没有进行一致性筛选，实际使用时，需要用精密LCR仪进行批次筛选以保证批量产品的一致性，设计中随意抽取一批湿敏电容，用LCR仪10 kHz档位在HUM-SA恒温恒湿箱25℃ 55%环境下测试的结果如表1。

表1 HS1101筛选结果(25℃，55%)

可见直接量产误差会很大，本设计的实验选用C1、C4、C7三个样本，即可达到±2%的一致性，可见测试结果分析。

1.5 LCD及其他外围电路

LCD为 128×64点阵，采用 ST7565R控制器，自带升电压，外围只要极少升压电容，工作电压3.3 V，SPI通信方式，电路如图4所示。

2 系统软件设计

综合MCU芯片资源、功能需求等,以ST官方STM32F的Fireware为基础，加上各种驱动程序、温湿度处理算法、fatfs、自编库函数、UI做为整体软件系统,软件逻辑层次与功能定义如图5所示。

2.1 Driver及LIbrary

最底层为硬件，Driver层参考STM32硬件寄存器及SPI、I2C等相关协议时序，设计所有硬件外设的驱动，通过驱动APIentry为上层软件系统和应用提供服务。官方 Fireware中已定义了 GPIO、DMA、A/D、I2C等标准协议，只需完成初始化即可调用，这些资源为软件设计带来了极大的便捷。

LCD、TF、时钟采用 SPI，为兼容处理，根据 SPI时序自编驱动。

ST固件中本身自带了DMA、ADC等库函数，参照此思想，本设计中加入 TF、FATFS、UI、温湿度算法的自定义函数库，这种架构设计，有利于较复杂的功能层次分明、模块化，为在单片机上实现复杂的文件系统等操作提供了可行的方案。

2.2 FATFS文件系统移植

FatFs是一个开源的FAT文件系统模块，遵循ANSI C，经过简单的修改即可移至多种嵌入式微处理器上，具有代码量小、不依赖于硬件平台等特点，国内有ZNFAT等模块。

FatFs层次分明，顶层为应用层，为用户提供了一系列 API函数，如 f_open、f_close、f_read、f_write 等，无需理解FAT即可用其API读写/文件。中间层FatFs Module完整地实现了FAT协议，无需任何变动。

最底层是用户在移植过程需要处理的接口，包括存储媒介读/写接口DiskIO和文件创建修改时间时所需的实时时钟。本设计只需将TF驱动接口函数、SPI通信函数、RTC时钟接口函数配置好即可完成移植。

2.3 温湿度处理

2.3.1 温度分段线性插值法

MCU自带12 bit ADC转换器将测得温敏电阻值转换为数字量,利用事先转换好的标定分度电阻与A/D值数据表，通过分段线性插值法[5]算出温度。由于温敏电阻曲线非绝对直线，为提高精度，采用多点标定得到一

其中，rad是转换后 A/D值，n为 12 bit，r是温度阻值，其值与温度对应，rv是标准电阻，∂为校正常数。

分段线性插值的原理是设已给出一系列离散结点x0＜x1＜ …＜xn上函数值 y0,y1,…,yn。选取离插值点 x距离最近的插值结点xk来计算函数y值。分段线性插值的公式为：个标定分度表，选1度作为标定分度。实验证明，这种方法简单、精度高，校正方便。

标定分度电阻与A/D值转换方程为：

具体的插值过程是：从小到大逐个取各结点与插值点比较，如插值点 x不超过 x1，则取 x1与 x0进行插值，并在公式(2)中令 i=1，计算 y值；否则再检查 x是否超过 x2，……如此逐个检查下去，一旦发现 x不超过某个结点 xk，则取与它前面的一个结点 xk-1进行插值，即在式(1)中令 i=k，计算 y值。如果发现x超过某个结点xn-1，则不管 x是否超过xn，插值结点均取 xn-1与 xn进行，即在公式(2)中令 i=n，计算 y值[6]。

2.3.2 湿度测量

MCU可采用中断或定时器边沿频率捕获的方式测出湿度频率信号，考虑稳定性和整体程序不被频繁中断扰乱，选择用定时器频率捕获的方式。

HS1101线性非常好，因此用表2的标定湿度与频率分度表做分段线性插值法即可，原理同上，只是需要加上温度补偿即可，影响值约为0.04 pF/℃。