基于单片机的集中温控系统设计

于浩楠 董玉林

摘  要：为了减少燃煤供暖污染、改善我国空气质量，进一步节约能源，我国许多城市开始推广“煤改电”这一以电力代替燃煤作为冬季供暖的主要能源，并且有助于提高清洁能源的使用效率。本次设计以STM32F103ZET6单片机作为核心CPU，根据集中温控管理系统工作特点和设计目标，给出目标控制系统的硬件组成，根据温控管理系统的实际需要和通讯特点，设计了一套高效的指令通讯机制和系统软件并配有设计的手机APP。测试结果表明文章设计的控制系统各工作模块性能良好、通讯连接稳定，满足可靠性、扩展性和实用性等工程技术要求。

关键词：集中温控系统;STM32F103ZET6;手机APP

中图分类号：TP273         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）08-0077-03

Abstract： In order to reduce the pollution of coal-fired heating， improve the air quality of our country and further save energy， many cities in our country have begun to promote "coal to electricity"， which is the main energy source of replacing coal-fired heating with electric power in winter. It also helps to improve the efficiency of clean energy use. In this design， STM32F103ZET6 single chip microcomputer is used as the core CPU， according to the working characteristics and design objectives of the centralized temperature control management system， the hardware composition of the target control system is given， and according to the actual needs and communication characteristics of the temperature control management system， An efficient instruction communication mechanism and system software are designed and equipped with the designed mobile phone APP. The test results show that the performance of each working module of the control system designed in this paper is good， the communication connection is stable， and meets the engineering technical requirements such as reliability， expansibility and practicability.

Keywords： centralized temperature control system; STM32F103ZET6; mobile phone APP

在许多发达国家，集中温控系统已经广泛地使用在生活中。近些年来随着煤改电政策的推广，集中温控系统才在我国发展起来的。而隨着煤改电政策的推广，使用温控器的场合也越来越多，但是单一的温控器仍然需要人们去对其进行一对一的控制或设定操作，使温控器的使用局限在了小型家用领域，不能满足大规模工程应用或者医院，学校以及政府机关的使用要求。在十二届全国人大五次会议上李克强总理在政府工作报告中强调出要加解决燃煤污染问题进度。全面实施散煤综合治理，推动北方地区冬日清洁取暖，实现以电代煤、以气代煤300万户以上，全数淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。本文以单片机为控制器，利用WIFI网络和工业485总线获取多个温控器所测的信息，并且控制所有温控器工作状态，也可使用手机APP实现远程操控。控制器以电容式触摸屏为信息显示面板，使用者可以在面板上得到各温控器的状态信息，控制其工作方式及工作状态，满足“一器控一楼”的工作要求。

1 系统硬件设计方案

系统硬件主要由单片机、电容触摸显示驱动电路、SD存储模块电路、WIFI通信电路、工业485通信电路、音频输出电路、电源转换及保护电路组成。系统结构如图1所示。

1.1 主控芯片

根据系统设计需要，主控制板采用了意法半导体（ST）公司的STM32F103VET6作为系统的主控制芯片。STM32F103VET6芯片内核是Cortex-M3， 采用ARM V7 构架，不但支持Thumb-2 指令集，还拥有很多新特性。较之ARM7 TDMI， Cortex-M3拥有更强劲的性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等许多优势。STM32的优异性体现在以下几个方面：超多的外设、丰富的型号、优异的实时性能、杰出的功耗控制等，因此在Cortex-M3 芯片的选取上， STM32无疑是首选。其芯片实物如图2所示。

1.2 工业SP485通信模块

SP485是隶属于ISO体系物理层的电气规定为2线，全双工，多点通信的标准。接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口，当以高数据速率或长距离进行通信时，差分数据传输可在大多数应用中提供优良的性能。差分信号有助于消除在网络中作为共模电压出现的接地偏移和感应噪声信号的影响。RS-485规定符合真正多点通信网络要求，并且该标准规定在一条单总线上支持32个驱动器和32个接收器。正常情况下SP485需要2个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般为120Ω）。本设计电路中又加入了隔离光耦，可以进一步降低模拟量的干扰，提高稳定性。

1.3 WIFI通信模块

无线局域网络英文全名：Wireless Local Area Networks;简写为： WLAN。它是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency： RF）的技术，使用电磁波，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，在空中进行通信连接，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它。本设计中选用的NRF24L01 WIFI模块是一款透传能力强、功耗低、操作简单的物联网通信模块，NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。NRF24L01 WIFI模块3D图如图3所示。

1.4 显示驱动模块

触摸方案本设计采用的是交互电容屏，又叫做跨越电容屏，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。具有手感好、无需校准、支持多点触摸、透光性好等优点。

2 系统软件设计方案

单片机控制程序主要分为两个部分，主程序部分和定时中断控制部分。主程序主要完成屏幕显示，数据存储，WIFI通信，SP485通信和单片机逻辑控制。本课题中集中温控系统均采用STM32F103VET6单片机实现。主程序流程图如图4所示。

显示触摸屏程序主要包括两部分，其一是显示页面图片的显示，其二是触摸位置的判断。首先，触摸位置的判断利用单片机的模数转换单元，程序中首先开始一次A/D采样，后面程序运行利用A/D采样结束中断向量跳转，每采样完畢一次调用一次中断处理程序，通过对触摸屏整体的划分，对A/D采样的值进行位置判断。然后启动下次采样，这样程序循环运行完成对触摸显示的功能。最后将所需的显示界面显示在触摸屏上。其触摸控制流程如图5所示。

3 结束语

本系统主要以STM32单片机为控制核心，采用NRF24L01WIFI模块使其具有无线通信能力，配有基于ios系统采用swift语言开发的APP增加其远程控制能力，采用的工业485有线通信方式，其在有线方式下具有更加安全稳定的控制能力，配有电容式触摸显示屏可以带来更加舒适的操作体验和视觉感受，配有的原边反激式开关电源给系统带来稳定工作的保障。

参考文献：

[1]陈华.基于单片机的无线传感网络通信模块设计探析[J].电子制作，2017（06）：11-12.

[2]张虎，肖惠云.无线通讯技术在工业领域中的应用[J].自动化博览，2018，35（11）：124-130.

[3]周润景.常用传感器技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2017.

[4]何宏，徐骁骏，张志宏.基于单片机的工业无线遥控系统[J].化工自动化及仪表，2016，43（05）：513-516.