基于USART-HMI液晶触摸屏的智能消毒柜设计

杨阿军 万在红 熊文华 郭黎明

摘   要：以消毒柜为控制系统研究对象，以USART-HMI液晶触摸串口屏为上位机，以STC89C52RC单片机为接收执行器，文章设计了一款带触屏显示的智能消毒柜，旨在通过对消毒柜的全新智能设计，促进串口屏的发展以及家居设备的变革更新。利用串口屏强大的图形界面和STC89C52RC单片机之间的串口通信，完成人机交互以及设备控制，用户可以根据喜好自由修改消毒的时长、温度以及工作模式，更加的人性化、智能化。USART-HMI串口屏还有休眠功能，可以进入待机模式以降低系统的总能耗。

关键词：USART;串口屏;单片机;触屏;消毒

1    USART-HMI串口屏设计概述

本设计将串口触摸屏应用到家居设备中，使得家居设备智能化、人性化，具有科学先进性，旨在更全面推广USART-HMI串口屏和智能UI图形用户控制系统，将其引入智能家居生活，提高用户的使用体验及生活质量。本设计实用新颖，使用USART-HMI串口屏作为该控制器的核心部分，不仅具有良好的界面设计和图形布局，而且串口屏自身搭载的触摸屏使得整个系统无需外部接入开关控制电路，只需要在图形界面设计进行修改即可完成，不仅极大地提高了人机交互的体验，同时也使得系统更加简洁化、通用化，可以在更多的家电设备及仪器仪表上使用。该系统通过PT100铂热电阻对消毒柜内的温度进行收集采样，并使用ADS1115对采样的值进行模数转换，将模拟量的温度变成单片机能使用的数字量，通过程序控制，将消毒柜内的温度值通过串口发送给串口屏进行显示、控制。串口仅需要2根线进行通信，在设备的检修、替换和系统升级方面更加便捷。基于USART-HMI串口屏的智能消毒柜的最大特点是可以实现触屏控制，可以通过拖动滑块来对参数进行设置、修改，被修改的数据会实时显示在屏幕上，用户可以看到自己修改的参值，例如最高温度、加热时长、最低温度等，在提升用户体验的同时，也让家居设备更加人性化和智能化。另外，可以通过搭载不同的外部模块，实现其他不同的功能，例如使用接入WiFi模块实现气温状况的显示，接入蓝牙模块实现手机控制家电等[1-2]。

2    系统硬件设计

2.1  系统硬件设计总体框架

系统硬件模块包含：USART-HMI串口触摸屏，用于人机交互以及工作状态的控制;STC89C52接收控制器，用于接送来自串口屏的消息并对继电器进行控制;PT-100铂热电阻，利用其阻值与温度呈线性关系来推算温度值;传感器模块，ADS1115将输入的电压值模数转换为单片机使用的数字量;继电器模块，通过三极管驱动放大电路，将单片机输出的电流放大进而驱动继电器工作，将电热丝接通电源。系统的总体框架如图1所示。

2.2  USART-HMI串口屏  

USART-HMI是集触摸、显示为一体的串口屏，其搭载的STM32处理器可以实现显示、触摸、定时器、中断等服务事项，内部功能强大。本设计在软件中进行界面设计以及触碰开关放置，以菜单的形式对其进行层次划分，实物如图2所示。

串口屏之所以被称为串口屏，关键在于其与外部主要依靠串口线进行交互，例如可以通过串口发送当前页面ID、内部动态数据、固定字符等，同时也可以通过串口写入数据，完成相应的事件，例如更新到指定页面、更新文本框内容、更改内部数值等，且串口屏对数据接收是通过中断实现的，不会因为界面的刷新或其他事件的影响而导致数据丢包和卡顿，十分便捷与高效。

2.3  AD（ADS1115）模块

ADS1115是兼容IIC的16位高精度低功耗模数转换器（Analog Digital Converter，ADC），采用超小型无引线X2QFN-10封装和VSSOP-10封裝。ADS111x器件采用了低漂移电压基准和振荡器。ADS1114和ADS1115还采用可编程增益放大器（Programmed Gain Amplifier，PGA）和数字比较器。这些特性加以较宽的工作电源电压范围使得ADS111xADS111x非常适合功率受限和空间受限的传感器测量应用中经常遇到的特定频率下OPAx189的EMIRR+IN值[3-4]。

ADS1115可在数据速率高达每秒860个样本（SPS）的情况下执行转换。PGA可提供从±256 mV～±6.144 V的输入范围，从而实现精准的大小信号测量。ADS1115具有一个输入多路复用器，可实现两次差动输入测量或4次单端输入测量。在ADS1114和ADS1115中可使用数字比较器进行欠压和过压检测。ADS1115硬件引脚及连接如图3所示。

2.4  继电器模块

继电器的功能为使用电压较低、较弱的电信号控制电压更高的器件开关，借助通电线圈存在磁力的特性而制成。使用9012（PNP型）三极管作为继电器线圈的驱动开关，用通电的线圈吸引铁片，让开关闭合达到控制的效果。其工作原理为三极管的集电极电流受基极电流的控制，并且基极电流很小的变化都会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍。如果将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致Ic发生很大的变化，从而控制开关的闭合[5-6]。继电器驱动电路如图4所示。

3    系统软件设计

本设计分为两个部分：一为USART-HMI触摸屏组成的核心控制器，其程序控制流程如图5所示;二为89c52单片机，作驱动AD模块采样以及串口数据处理，其程序流程如图6—7所示。

4    結语

本系统将USART-HMI串口屏引入家居系统中，实现消毒柜的智能化、人性化，具有科学先进性;且可移植性强，适用范围广，能够向更为广泛的领域延拓;安装、使用简单，便于推广，能够为大众所接受，具有一定的现实意义和可开发价值。

[参考文献]

[1]杨林耀.电子测量基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[2]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]刘寺杰，徐敏，张晨宇，等.基于HMI智能串口屏显示的温湿度测量系统[J].科教导刊，2018（8）：59-60.

[4]杨文显.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[5]JULIE M.HTML与CSS入门经典[M].陈宗斌，译.北京：人民邮电出版社，2014.

[6]倪树标，张冠文，刘日威，等.浅谈串口屏在仪器人机界面设计中的应用[J].广东科技，2012（21）：176-177.

Abstract：Taking disinfection cabinet as the research object of control system， taking USART-HMI liquid crystal touch string screen as upper computer and STC89C52RC single chip microcomputer as receiving actuator， a kind of intelligent disinfection cabinet with touch screen display is designed in order to promote the development of serial screen and the reform and update of household equipment through the new intelligent design of disinfection cabinet in this paper. By using the powerful graphical interface of the serial screen and the serial communication between STC89C52RC single chip microcomputer， the human-computer interaction and equipment control can be completed. Users can freely modify the disinfection time， temperature and working model according to their preferences， so as to be more humanized and intelligent. USART-HMI serial screen also has dormancy function， can enter standby mode to reduce the total energy consumption of the system.

Key words：USART; serial screen; microcontroller; touch screen; disinfection