基于STM32单片机的智能取暖系统

2022-01-22陈娟竺兴妹

电子测试 2021年24期

陈娟，竺兴妹

（江苏省南京工程高等职业学校电子工程系，江苏南京，211135）

0 引言

取暖器的应用非常广泛，特别在寒冷的冬天，如果有一台智能的取暖器将会为生活带来非常大的便利。传统的取暖设备对温度的检测不够灵敏，往往当实际的温度已经很低的时候，取暖设备才会开始加热，并可能尚未达到所需的温度就已经停止工作了；有一些温度控制系统完全基于仿真软件来设计，并未在实际电路上测试；还有一些采用MCS-51单片机来实现，系统的处理速度一般[1]-[3]。本设计在Keil Vision5环境下编程，并且利用野火STM32开发板实现了功能——在环境温度低于25℃时，启动加热系统加热，在加热过程中当检测到环境温度达到28℃时就停止加热，从而使得环境温度保持在25℃—28℃之间。在取暖过程中，可能会出现空气干燥的情况，因此除了检测环境温度，系统还实时地监控环境湿度，可以提示人们根据自己身体的适应情况开启家中的加湿器。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。它集编辑、编译、仿真于一体，同时还支持PLM，汇编和C语言的程序设计。它的界面非常友好，易学易用，在调试程序时，软件仿真方面也有很强大的功能。

STM32系列单片机具有专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，是32bit系列的单片机，其内部资源（寄存器和外设功能）较8051、AVR和PIC都要多很多，基本上接近于计算机的CPU了。特别是与MCS-51系列单片机相比较，STM32系列单片机在速度和功能上要强很多。

1 系统的硬件设计

1.1 系统的结构框图

整个硬件系统基于野火STM32开发板，硬件电路主要由STM32单片机、DHT11数字温湿度传感器电路、LTDC/DMA2D液晶显示电路和升温装置组成。系统框图如图1所示，采用DHT11数字温湿度传感器检测环境温度，并将温度数据传输给STM32单片机，单片机分析处理温度数据，根据处理结果控制各电路工作——启动或者停止加热电路、LTDC/DMA2D液晶显示电路显示当前温度和湿度情况。

图1 系统的结构框图

1.2 单片机的复位电路和晶振电路

复位电路的作用就是重启系统。STM32的复位引脚NRST（14引脚）是低电平有效，即当14引脚为低电平时，单片机处于复位状态，重设所有的内部寄存器以及片内几十KB的SRAM；正常的工作状态下，复位引脚保持为高电平。

晶振电路的作用是为单片机提供时钟信号，STM32有两组晶振，一组是为STM32单片机提供主时钟的，是主时钟晶振，一般情况下取值为8MHz；一组是用来为RTC提供时钟信号的，是RTC时钟晶振，一般情况下取值为32.768K，在实际应用中，如果不使用RTC功能的话，则不需要连接RTC晶振，比如在本设计中，只需连接主时钟晶振即可。

图2 单片机的复位电路

图3 单片机的晶振电路

1.3 LTDC/DMA2D液晶显示电路

LTDC全称是LCD-TFT Display Controller， LCD显示控制器，主要是为外部LCD显示屏提供RGB信号和控制信号的。本系统采用了STM32F429系列单片机，该系列芯片内部自带一个LTDC 液晶控制器，使用SDRAM 的部分空间作为显存，可直接控制液晶面板，不需要另外再增加液晶控制器芯片。STM32的LTDC 液晶控制器最高支持800x600分辨率的屏幕；可支持多种颜色格式，支持2 层显示数据混合，利用这个特性，可高效地做出背景和前景分离的显示效果。

LTDC支持的分辨率较高，功能较多，该控制器只产生LCD需要的时序，没有集成RAM。在实际使用LTDC控制器控制液晶屏时，待LTDC正常工作之后，需要将要显示的像素数据写入到配置好的显存地址中去，因为显示的数据量非常大，因此STM32专门定制了DMA2D外设。DMA2D外设可以用于快速绘制矩形、直线、分层数据混合、数据复制以及图像数据格式转换[4]。

1.4 DHT11数字温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是温湿度复合传感器，它含有已校准数字信号的输出，使用数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其可靠性和稳定性。其中传感器包含一个电容式感湿元器件和一个NTC测温元器件。由于DHT11数字温湿度传感器响应速度快、抗干扰能力强、信号传输距离远等优点，很多相关温湿度检测控制都可以应用该产品，如汽车、数据记录器、家电等[5]。

如图4所示，DHT11数字温湿度传感器有四个引脚，引脚1是VDD，一般用3.3V—5.5V的直流电供电；引脚2是DATA串行数据端，为单总线通信，即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成；引脚3是NC，为空脚，在实际应用时悬空即可；引脚4是GND接地端，接电源的负极。

图4 DHT11数字温湿度传感器实物图

2 系统的软件设计

2.1 系统流程图

首先对系统进行初始化，然后利用DHT11数字温湿度传感器获取当前的环境温度和湿度，并且送到LTDC/DMA2D液晶显示电路显示温度和湿度数据，当环境的温度处于25℃—28℃之间时，表示环境温度适宜，不需要启动加热系统；当环境的温度低于25℃时，表示环境温度偏低，需要启动加热系统；当加热系统不断工作，且检测到环境温度高于28℃时，停止加热系统的工作。

图5 系统流程图

2.2 部分程序代码

if( Read_DHT11 ( & DHT11_Data ) == SUCCESS)

{

printf(" ??DHT11??! ???%d.%d %%RH ,???%d.%d? ",

DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci,DHT11_Data.temp_int,DHT11_Data.temp_deci);

LCD_ClearLine(LINE(2));

LCD_ClearLine(LINE(3));

sprintf((char*)dis_buf,”humidity: %2d.%2d %%RH,DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci);

LCD_DisplayStringLine_EN_CH(LINE(4),dis_buf); //显示湿度信息

图6 环境温度为28.3℃时的测试情况

3 系统的测试

经过在野火STM32开发板上进行测试，在空调的辅助下，经过DHT11数字温湿度传感器检测到两种不同的温度，为了方便起见，左下角的LED灯为表示加热器状态的信号灯，测试结果如下：

（1）当检测到环境温度调节为28.3℃时，表示已经高于合适温度的范围，这时左下角的LED灯显示为蓝色，表示停止加热器加热，液晶显示屏的第一行显示“DHT11 temperature＆ humidity detect demo”（DHT11温湿度检测演示），第二行显示“humidity:76.0%RH”（湿度：76.0%），第三行显示“temperature:28.3 degree Celsius”（温度：28.3 摄氏度）。

（2）当检测到环境温度为23.5℃时，表示已经低于合适温度的范围，这时左下角的LED灯显示为红色，表示启动加热器加热，液晶显示屏的第一行显示“DHT11 temperature＆ humidity detect demo”（DHT11温湿度检测演示），第二行显示“humidity:46.0%RH”（湿度：46.0%），第三行显示“temperature:23.5 degree Celsius”（温度：23.5 摄氏度）。