2016 年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目 編號 201613720003 收稿日期 2018 10 17 摘 要 為 了 實(shí) 時 監(jiān) 控 溫 室 大 棚 的 氣 象 數(shù) 據(jù) 防 止 作 物 受 到 棚 內(nèi) 溫 度 濕 度 等 大 氣 因 素 影 響 產(chǎn) 量 設(shè) 計(jì) 了 一 款 低 功 耗 的 自 動 氣 象 數(shù) 據(jù) 采 集 器 主 要 是 對 氣 壓 溫 度 濕 度 PM2 5 PM10 海 拔 高 度 等6 項(xiàng) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 采 集 該 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集 器 以STM32F103ZET6 為 載 體 以 嵌 入 式 實(shí) 時 操 作 系 統(tǒng) C OS III 為 控 制 核 心 應(yīng) 用 氣 壓 傳 感 器 模 塊 PM2 5 PM10 傳 感 器 模 塊 溫 濕 度 傳 感 器 模 塊 OLED 液 晶 顯 示 模 塊 完 成 氣 象 要 素 的 數(shù) 據(jù) 采 集 并 對 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 控 制 和 計(jì) 算 該 設(shè) 計(jì) 具 有 模 塊 化 的 特 點(diǎn) 可 單 獨(dú) 完 成 檢 測 并 且 具備可靠的性能 多次測試證明 該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性 關(guān)鍵詞 大棚氣象數(shù)據(jù) STM32F103ZET6 DHT11 BMP180 PM2 5 PM10 傳感器 中圖分類號 TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1009 9492 2019 01 0069 03 Design of Meteorological Data Collector Based on STM 32 Greenhouse ZHANGWen le YANGJing jing ZHONGLin qiang IndustrialAutomation GuangdongPolytechnicCollege Zhaoqing526100 China Abstract In order to monitor the meteorological data of greenhouse in real time and prevent crops from being affected by atmospheric factors such as temperature and humidity in greenhouse A low power automatic meteorological data acquisition device was designed which mainly collected 6 data such as air pressure temperature humidity PM2 5 PM10 and altitude The meteorological data collector uses STM32F103ZET6 as the carrier embedded real time operating system C OS III as the control core and uses pressure sensormodule PM2 5 PM10sensormodule temperatureandhumiditysensormodule OLEDliquidcrystaldisplaymoduletocomplete the data collection of meteorological elements and controls and calculates the data The design has the characteristics of modularization cancompletethedetectionindependently andhasreliableperformance Testsshowthatthesystemhasgoodstability Key words greenhousemeteorologicaldata STM32F103ZET6 DHT11 BMP180 PM2 5 PM10sensor 基于 STM 32 溫室大棚氣象數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì) 張文樂 楊晶晶 鐘林強(qiáng) 廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系 廣東肇慶 526100 DOI 10 3969 j issn 1009 9492 2019 01 022 0 引言 溫 室 大 棚 是 沒 有 實(shí) 時 監(jiān) 控 的 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 設(shè) 施 農(nóng) 作 物 產(chǎn) 量 容 易 受 到 棚 內(nèi) 溫 濕 度 的 影 響 因 此 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 濕 度 監(jiān) 控 顯 得 極 為 重 要 溫 室 大 棚 內(nèi) 部 有 一 系 列 的 儀 器 能 檢 測 棚 內(nèi) 的 情 況 但 不 具 備 自 動 化 系 統(tǒng) 這 樣 的 設(shè) 備 因 此 為 了 提 高 農(nóng) 作 物 產(chǎn) 值 需 要 人 為 地 監(jiān) 控 棚 內(nèi) 的 氣 象 數(shù) 據(jù) 以 便 評 估 氣 象 信 息 對 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 危 害 程 度 提 高 應(yīng) 對 突 發(fā) 天 氣 狀 況 的 能 力 1 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集 器 用 于 監(jiān) 控 實(shí) 時 氣 壓 溫 度 濕 度 PM2 5 PM10 海 拔 高 度 等 數(shù) 據(jù) 可 隨 時 了 解 所 處 位 置 的 相 關(guān) 氣 象 即 時 數(shù) 據(jù) 以 便 作 出 應(yīng) 對 措 施 后 階 段 還 可 以 升 級 產(chǎn) 品 利 用 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 把 收 集 好 的 數(shù) 據(jù) 上 傳 云 端 或 傳 輸 到 氣 象 中 心 計(jì) 算 機(jī) 氣 象 數(shù) 據(jù) 庫 中 用 于 統(tǒng) 計(jì) 分 析 這 種 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集 器 不 僅 在 農(nóng) 業(yè) 上 有 著 重 要 作 用 而 且 對 預(yù) 測 以 及 防 范 可 能 發(fā) 生 的 氣 象 災(zāi) 害 也 有 著 非 常 重 要 的 意義 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成 在 該 設(shè) 計(jì) 中 使 用 的 主 要 元 器 件 和 傳 感 模 塊 有 微 處 理 器 STM32F103ZET6 單 片 機(jī) BMP180 氣 壓 檢 測 模 圖1 系統(tǒng)框圖 機(jī)電工程技術(shù) 2019 年第 48 卷第 01 期 設(shè)計(jì)與仿 真 69塊 液 晶 顯 示 模 塊 TFTLCD PM2 5 PM10 檢 測 模 塊 DHT11 溫 濕 度 檢 測 模 塊 以 及 有 源 蜂 鳴 器 該 設(shè) 計(jì) 的 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集 器 工 作 原 理 是 MCU 通 過 讀 出 溫 濕 度 傳 感 器 PM2 5 PM10 傳 感 器 氣 壓 傳 感 器 的 數(shù) 據(jù) 信 息 然 后 把 具 體 數(shù) 值 顯 示 在TFT 液 晶 模 塊 上 和 回 發(fā) 到 串 口 上 并 通 過 2 4G 無 線 模 塊 把 數(shù) 據(jù) 信 息 發(fā) 送 到 其 他 設(shè) 備 上 進(jìn) 行 氣 象 數(shù) 據(jù)監(jiān)測 2 圖1 為整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 2 硬件系統(tǒng)開發(fā) 2 1 系統(tǒng)電源電路模塊 如 圖2 所 示 該 設(shè) 計(jì) 的 硬 件 系 統(tǒng) 電 源 分 為 兩 部 分 一 部分 是外 設(shè)工 作電 源VCC5V 另一 部分 是處 理器 工作 電源 VCC3V 該 系 統(tǒng) 用 的 是3 7V 380mAh 的 鋰 電 池 來 供 電 如 圖3 所 示 電 池 是3 7V 而 該 硬 件 系 統(tǒng) 需 要 用 的 則 是5 V 和3 3 V 電 壓 的 電 源 所 以 硬 件 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 第 一 步 是 對 其進(jìn)行變壓電路設(shè)計(jì) 3 考 慮 到 變 壓 后 電 壓 穩(wěn) 定 性 的 問 題 先 將 電 壓 升 到5V 再 降 壓 到3 3 V 如 圖2 所 示 使 用SX1308 升 壓 芯 片 來 提 升 電 壓 并 根 據(jù) 其 數(shù) 據(jù) 手 冊 搭 建 穩(wěn) 壓 電 路 根 據(jù) 數(shù) 據(jù) 手 冊 可 知 道SX1308 升 壓 芯 片 支 持2 24V 的 寬 電 壓 輸 入 所 以 使 用 的 鋰 電 池 的3 7V 電 壓 是 在 其 輸 入 范 圍 內(nèi) 的 根 據(jù) 式 1 計(jì)算 R1 和 R2 的比值 V OUT V REG 1 R 1 R 2 1 式 中 VOUT 為 輸 出 電 壓 VREG 為 反 饋 電 壓 0 6V R1 為 上 邊 分 壓 電 阻 R2 為 下 表 分 壓 電 阻 R2 的 常 用 值 為 10k 4 查表1 可以得到 R1 和 R2 的電阻值 根 據(jù) 上 面 的 設(shè) 計(jì) 完 成 系 統(tǒng) 的5V 電 壓 設(shè) 計(jì) 接 下 來 就 是3 3V 電 壓 的 設(shè) 計(jì) 氣 象 收 集 器 直 接 使 用HT7833 三 端 穩(wěn) 壓 器 把5V 電 壓 降 低 到3 3V 至 此 硬 件 電 路 的 電 源 系 統(tǒng)即完成 5 2 2 傳感器模塊電路 該 收 集 器 中 引 出4 個 傳 感 器 接 口 分 別 是 DHT11 溫 濕 度 檢 測 模 塊 PM2 5 PM10 檢 測 模 塊 BMP180 氣 壓 檢 測 模 塊 和24L01 無 線 傳 輸 模 塊 6 下 面 分 別 介 紹 各 個 模 塊 的電路設(shè)計(jì) 1 DHT11 溫 濕 度 傳 感 器 是 單 總 線 單 工 通 訊 電 源 接 3 3V 在 數(shù) 據(jù) 線 上 接 一 個4 7k 的 上 拉 電 阻 電 路 接 法 如 圖4 所示 2 PM2 5 PM10 傳 感 器 硬 件 電 路 PM2 5 PM10 傳 感 器 的 TXD 和 RXD 分 別 接 到 STM32F1 芯 片 上 的 RXD 和 TXD 再接上5V 電源和地 7 電路接法如圖5 所示 3 BMP180 氣 壓 傳 感 器 其 通 訊 方 式 是IIC 通 訊 IIC 的 通 訊 線 有 兩 根 分 別 是 時 鐘 線SCL 和 數(shù) 據(jù) 線SDA 圖2 電源模塊 圖3 鋰電池 圖4 DHT11 電路接法 圖5 PM2 5 傳感器驅(qū)動電路 表 1 電壓設(shè)置表 VOUT V 5 10 12 R1 k 73 2 158 191 R2 k 10 10 10 VOUT V 15 20 R1 k 240 324 R2 k 10 10 圖6 BMP180 驅(qū)動電路 機(jī)電工程技術(shù) 2019 年第 48 卷第 01 期 設(shè)計(jì)與仿真 70 下轉(zhuǎn)第151 頁 張文樂 等 基于STM32 溫室大棚氣象數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì) 這 兩 根 線 分 別 接 到STM32F1 中IIC 的SCL 和SDA 引 腳 無 線 模 塊24L01 是 通 過SPI 通 訊 協(xié) 議 傳 輸 數(shù) 據(jù) 的 SPI 通 訊 是 一 種 高 速 全 雙 工 同 步 的 通 訊 總 線 8 該 通 訊 模 式 需 要4 根 線 分 別 是 MISO 主 設(shè) 備 數(shù) 據(jù) 輸 入 從 設(shè) 備 數(shù) 據(jù) 輸 出 MOSI 主 設(shè) 備 數(shù) 據(jù) 輸 出 從 設(shè) 備 數(shù) 據(jù) 輸 入 SCLK 時 鐘 信 號 由 主 設(shè) 備 產(chǎn) 生 CS 從 設(shè) 備 片 選 信 號 由 主 設(shè) 備 控 制 電路接法如圖6 所示 4 NRF24L01 的2 4G 無 線 傳 輸 模 塊 的 電 路 該 模 塊 的 通 訊 方 式 為SPI 通 訊 此 通 訊 方 式 需 要4 根 數(shù) 據(jù) 線 分 別 是MISO MOSI CSN CE 這 些 數(shù) 據(jù) 線 和 處 理 器 的 管 腳 功 能 相 同 的 連 接 NRF24L01 支 持 多 信 道 通 訊 NRF24L01 驅(qū)動電路接法如圖7 所示 3 軟件編寫 3 1 開發(fā)軟件環(huán)境搭建以及開發(fā)思路 在 該 設(shè) 計(jì) 中 選 用STM32F1 系 列 的 處 理 芯 片 編 程 軟 件 是MDK5 該 編 程 軟 件 編 程 與51 單 片 機(jī) 編 程 最 大 的 不 同 是 它 有 一 個ST 官 方 庫 該 固 件 庫 就 是 函 數(shù) 的 集 合 提 供 用 戶 函 數(shù) 調(diào) 用 的 接 口 API 該 庫 的 出 現(xiàn) 大 大 方 便 了 開 發(fā) 人 員 的 開 發(fā) 速 度 也 是 管 理 操 作STM32F1 眾 多 寄 存 器 的 管 理工具 MDK 源 自 德 國 的KEIL 公 司 是RealView MDK 的 簡 稱 在 全 球 范 圍 內(nèi) MDK 被 超 過10 萬 的 嵌 入 式 開 發(fā) 工 程 師 使 用 目 前 最 新 版 本 為 MDK5 14 該 版 本 使 用uVi sion5 IDE 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 是 目 前 針 對ARM 處 理 器 尤 其 是CortexM 內(nèi) 核 處 理 器 的 最 佳 開 發(fā) 工 具 MDK5 向 后 兼 容 MDK4 和MDK3 等 以 前 的 項(xiàng) 目 同 樣 可 以 在MDK5 上 進(jìn) 行 開 發(fā) MDK5 同 時 加 強(qiáng) 了 針 對Cortex M 微 控 制 器 開 發(fā) 的 支 持 并 且 對 傳 統(tǒng) 的 開 發(fā) 模 式 和 界 面 進(jìn) 行 了 升 級 MDK5 由 兩 個 部 分 組 成 MDK Core 和Software Packs 其 中 Soft warePacks 可 以 獨(dú) 立 于 工 具 鏈 進(jìn) 行 新 芯 片 支 持 和 中 間 庫 的 升級 在MDK5 上 新 建 工 程 的 方 法 是 建 文 件 夾 新 建 項(xiàng) 目 添 加 固 件 庫 選 擇 芯 片 型 號 在 本 設(shè) 計(jì) 中 選 用 的 是 STM32F103ZET6 添 加 內(nèi) 核 文 件 創(chuàng) 建main c 函 數(shù) 添 加 包 含 頭 文 件 并 選 擇 生 成HEX 文 件 選 擇 晶 振 頻 率 選 用8MHZ 晶振 選擇調(diào)試工具 9 3 2 系統(tǒng)編程思路 圖8 為 該 系 統(tǒng) 的 處 理 流 程 該 系 統(tǒng) 第 一 步 為 初 始 化 所 有 的 硬 件 設(shè) 備 使 其 在 工 作 狀 態(tài) 然 后 配 置 中 斷 優(yōu) 先 級 和 延 時 函 數(shù) 然 后 對 各 種 傳 感 器 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 讀 出 計(jì) 算 處 理 然 后 顯 示 顯 示 在OLED 顯 示 屏 上 并 通 過24l01 無 線 模 塊 轉(zhuǎn) 發(fā) 10 4 實(shí)物展示 圖9 為 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集 器 內(nèi) 部 硬 件 實(shí) 物 圖 和 氣 象 數(shù) 據(jù) 收 集器外觀圖 圖8 系統(tǒng)編程思路 圖7 NRF24L01 驅(qū)動電路 圖9 硬件實(shí)物和氣象收集器外觀圖 圖10 串口調(diào)試 設(shè)計(jì)與仿 真 714 青島港口場橋的運(yùn)用與效益分析 青 島 港 口 場 橋 起 升 機(jī) 在 使 用ABB 變 頻 器ACS 系 列 后 其 運(yùn) 行 情 況 發(fā) 生 了 較 大 改 觀 經(jīng) 濟(jì) 效 益 得 到 明 顯 提 升 首 先 在 未 使 用 變 頻 器 之 前 其 每 年 維 修 費(fèi) 用 為146 萬 元 而 在 使 用 后 每 年 的 維 修 費(fèi) 用 降 為98 萬 元 其 次 未 使 用 變 頻 器 之 前 變 頻 器 的 維 修 保 養(yǎng) 時 間 為1216h 而 在 使 用 之 后 維 修 保 養(yǎng) 時 間 降 低 為368 h 確 保 了 起 升 機(jī) 的 穩(wěn) 定 運(yùn) 行 最 后 未 使 用 變 頻 器 前 84 臺 場 橋 因 故 障 導(dǎo) 致 的 誤 工 時 間 為76 天 而 在 使 用 變 頻 器 之 后 誤 工 時 間 僅 為23 天 提升了工作效率 5 結(jié)束語 通 過 不 斷 實(shí) 踐 總 結(jié) 企 業(yè) 加 深 對 變 頻 器 的 了 解 掌 握 常 見 故 障 的 處 理 方 法 不 但 節(jié) 省 維 修 成 本 也 縮 短 變 頻 器 故 障 的 維 修 處 理 時 間 提 升 設(shè) 備 的 使 用 效 率 與 可 靠 性 保 證 變 頻 器 等 設(shè) 備 處 于 正 常 運(yùn) 行 模 式 為 一 線 采 礦 作 業(yè) 提 供 更多高效的運(yùn)行設(shè)備 參考文獻(xiàn) 1 禹 利 華 ABBACS800 變 頻 器 在 低 壓 變 頻 電 機(jī) 和 永 磁 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 試 驗(yàn) 臺 上 的 應(yīng) 用 J 中 國 新 技 術(shù) 新 產(chǎn) 品 2016 04 15 2 羅 秀 紅 低 壓ABB 變 頻 器 的 維 護(hù) 保 養(yǎng) 及 常 見 故 障 診 斷 J 熱電技術(shù) 2013 04 3 齊 書 鵬 低 壓ABB 變 頻 器 的 維 護(hù) 保 養(yǎng) 及 常 見 故 障 診 斷 方法 J 電子世界 2016 06 88 4 王 云 彪 以 西 門 子 和ABB 為 例 談 變 頻 器 在 工 程 中 的 實(shí) 踐應(yīng)用 J 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 2014 02 114 5 魏 正 旺 孔 波 ABB 變 頻 器 在 生 產(chǎn) 加 工 中 的 可 靠 運(yùn) 用 J 電子世界 2017 10 145 146 6 金 綦 慶 曹 志 劉 群 峰 等 一 種 新 型ABB 變 頻 器 誤 動作的處理 J 石化技術(shù) 2016 10 66 67 7 史 堅(jiān) 青 ABB 中 壓 變 頻 器 在 煤 礦 主 斜 井 皮 帶 機(jī) 上 的 應(yīng) 用 J 機(jī)械管理開發(fā) 2016 08 102 103 8 夏 際 先 ABB 變 頻 器 應(yīng) 用 誤 區(qū) 及 應(yīng) 對 策 略 J 電 世 界 2015 09 7 8 作 者 簡 介 曹 龍 男 1988 年 生 山 西 靈 石 人 大 學(xué) 專 科 助理工程師 研究領(lǐng)域 機(jī)電 編輯 王智圣 上接第71 頁 當(dāng) 硬 件 系 統(tǒng) 通 電 測 試 成 功 后 就 可 進(jìn) 行 軟 件 燒 寫 編 程 調(diào) 試 了 STM32F1 核 心 板 是 配 有 專 門 的 程 序 下 載 器 J LINK 該 下 載 器 支 持 在 線 調(diào) 試 這 將 大 大 有 利 于 軟 件 的 debug 除 了 這 個 還 可 以 使 用 串 口 調(diào) 試 圖10 為 串 口 調(diào) 試 的截圖 5 結(jié)束語 大 棚 的 農(nóng) 作 物 很 容 易 受 到 棚 內(nèi) 溫 度 濕 度 等 大 氣 因 素 影 響 產(chǎn) 量 筆 者 設(shè) 計(jì) 的 低 功 耗 自 動 氣 象 采 集 器 大 大 方 便 了 工 作 人 員 時 刻 監(jiān) 控 大 棚 的 氣 象 數(shù) 據(jù) 變 化 情 況 從 測 試 結(jié) 果 可 以 看 出 數(shù) 據(jù) 采 集 正 確 輸 出 穩(wěn) 定 存 儲 順 利 從 而 證 明 該氣象數(shù)據(jù)采集器的可使用性 參考文獻(xiàn) 1 鐘 新 平 基 于 單 片 機(jī) 的 溫 室 大 棚 環(huán) 境 參 數(shù) 自 動 控 制 系 統(tǒng) D 南寧 廣西大學(xué) 2011 2 張 毅 剛 單 片 機(jī) 原 理 及 應(yīng) 用 M 2 版 北 京 高 等 教 育出版社 2010 3 王 倢 婷 傳 感 器 及 應(yīng) 用 M 2 版 北 京 中 國 勞 動 社 會出版社 2014 4 沈 聿 農(nóng) 傳 感 器 及 應(yīng) 用 技 術(shù) M 3 版 北 京 化 學(xué) 工 業(yè)出版社 2014 5 顧 潔 基 于 單 片 機(jī) 的 圖 書 館 溫 濕 度 檢 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 長春師范大學(xué)學(xué)報(bào) 2014 6 任 冰 基 于 單 片 機(jī) 的 溫 濕 度 測 量 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 科 技 展望 2015 7 郭 天 祥 新 概 念51 單 片 機(jī)C 語 言 教 程 入 門 提 高 開 發(fā) 拓 展 全 攻 略 M 北 京 電 子 工 業(yè) 出 版 社 2009 8 王 新 平 溫 濕 度 信 號 采 集 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) D 成 都 電子科技大學(xué) 2015 9 潘 永 雄 新 編 單 片 機(jī) 原 理 與 應(yīng) 用 M 西 安 電 子 科 技 大學(xué)出版社 2010 10 楊 揚(yáng) 農(nóng) 業(yè) 大 棚 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) D 哈 爾 濱 哈爾濱理工大學(xué) 2014 第 一 作 者 簡 介 張 文 樂 男 1995 年 生 廣 東 湛 江 人 大 學(xué)本科 研究領(lǐng)域 自動控制 通 訊 作 者 簡 介 楊 晶 晶 女 1982 年 生 廣 東 樂 昌 人 碩士研究生 講師 研究領(lǐng)域 自動控制 編輯 麥麗菊 曹 龍 ABB 變頻器ACS800 系列常見故障與維護(hù) 經(jīng)驗(yàn)交 流 151