温湿度监测系统设计：基于 STM32 的温湿度变送器的设计与实现
前言：這個是2018年上半年完成的，這里只貼出硬件設(shè)計部分，軟件設(shè)計部分可以看上位機說明書。
設(shè)計總說明
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高集成度、高精度、高可靠性的一體化溫濕度變送器開始 得到廣泛的應(yīng)用．同時隨著應(yīng)用場景的增多，更多類如管理不及時、數(shù)據(jù)丟失、響應(yīng)速度 慢、不便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐栴}日益凸顯．為滿足現(xiàn)代生產(chǎn)實際需要，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基 于SHT11及同類型傳感器的溫濕度變送器及溫濕度監(jiān)測軟件系統(tǒng)． 本文設(shè)計溫濕度變送器以STM32為核心控制器，可連接包括SHT11及SHT21、DHT11、 DHT21同類型溫濕度傳感器，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的實時顯示、監(jiān)控、存儲、模擬輸出，并具 備RS485通信接口．設(shè)備參數(shù)可通過按鍵控制多級菜單進行設(shè)置修改，溫濕度數(shù)據(jù)超出閾 值范圍可通過蜂鳴器和繼電器動作報警．變送器可采用15V~25V寬電壓、USB、鋰電池三 種供電方式，并實現(xiàn)USB鋰電池充電，同時實現(xiàn)電源電壓采樣監(jiān)測，完成USB充電識別和 鋰電池剩余電量監(jiān)測以及僅在寬電壓輸入下保持模擬信號輸出． 溫濕度變送器設(shè)計可分為硬件和軟件兩部分．硬件部分包括：電源轉(zhuǎn)換電路、中心控 制電路、傳感器接口電路、段式液晶顯示電路、按鍵電路、溫濕度報警電路、EEPROM存 儲電路、RS485通信電路、0V~5V或0V~10V模擬輸出電路、4mA~20mA模擬輸出電路；軟 件部分包括按鍵掃描及參數(shù)設(shè)置、傳感器溫濕度讀取及閾值報警、段式液晶顯示、MODBUS RTU通信、ADC電源檢測、DAC7512驅(qū)動輸出．上位機溫濕度監(jiān)測軟件可通過RS485與下 位機溫濕度變送器進行通信，進行溫濕度數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控、存儲、查詢等．溫濕度監(jiān)測 軟件實現(xiàn)對當(dāng)前連接設(shè)備的地址碼掃描，并更新連接設(shè)備數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對已連接設(shè)備溫濕 度數(shù)據(jù)的問詢，進行列表、曲線、懸浮窗顯示并記錄數(shù)據(jù)點．同時，其包括通信端口、用 戶管理、溫濕度閾值等參數(shù)設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、報警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)日志信息的記錄 查詢． 經(jīng)過對系統(tǒng)軟硬件的測試和實驗，結(jié)果表明，本文設(shè)計的溫濕度變送器和溫濕度監(jiān)測 軟件能夠長時間穩(wěn)定運行，成本較低，精度可靠，并且可以實時遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，為當(dāng)前的 生產(chǎn)需求提供一種行之有效的解決方案．
關(guān)鍵詞：溫濕度；STM32；RS485；顯示；監(jiān)控
目 錄
第 1 章 緒論 ................................................................................................................................... 1
1.1 課題研究背景和研究意義 ................................................................................................... 1
1.2 課題設(shè)計目的 ....................................................................................................................... 1
1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 ............................................................................................... 1
1.3.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................................................ 1
1.3.2 存在的問題及發(fā)展前景 ................................................................................................ 2
1.4 論文研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 ....................................................................................... 2
1.4.1 主要研究內(nèi)容 ................................................................................................................ 2
1.4.2 本文章節(jié)安排 ................................................................................................................ 2
第 2 章 溫濕度傳感器及系統(tǒng)總體方案設(shè)計 ............................................................................... 5
2.1 溫濕度傳感器 ....................................................................................................................... 5
2.1.1 SHT11 和 SHT21 傳感器 ............................................................................................... 5
2.1.2 DHT11 和 DHT21 傳感器 .............................................................................................. 6
2.2 系統(tǒng)總體方案 ....................................................................................................................... 7
2.3 本章小結(jié) ............................................................................................................................... 8
第 3 章 系統(tǒng)硬件電路 ................................................................................................................... 9
3.1 系統(tǒng)硬件電路分析及總體框圖 ........................................................................................... 9
3.2 電源轉(zhuǎn)換電路 ....................................................................................................................... 9
3.2.1 +5V 產(chǎn)生電路 ................................................................................................................. 9
3.2.2 +3.3V 產(chǎn)生電路及鋰電池充電保護電路 .................................................................... 11
3.2.3 ?5V 產(chǎn)生電路 ............................................................................................................. 14
3.2.4 電壓采樣電路 .............................................................................................................. 15
3.3 中心控制電路 ..................................................................................................................... 15
3.4 傳感器接口電路 ................................................................................................................. 17
3.5 液晶顯示電路 ..................................................................................................................... 18
3.6 按鍵電路 ............................................................................................................................. 20
3.7 溫濕度報警電路 ................................................................................................................. 20
3.8 EEPROM 存儲電路 ............................................................................................................ 21
3.9 RS485 通信電路 .................................................................................................................. 21
3.10 0V~5V 或 0V~10V 模擬輸出電路 ................................................................................... 22
3.11 4MA~20MA 模擬輸出電路 ............................................................................................... 24
3.12 本章小結(jié) ........................................................................................................................... 24
第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................................................................................................. 25
4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述............................................................................................................. 25
4.2 下位機 STM32 單片機程序設(shè)計 ...................................................................................... 25
4.2.1 單片機整體功能程序設(shè)計 .......................................................................................... 25
4.2.2 按鍵掃描及參數(shù)設(shè)置程序設(shè)計 .................................................................................. 26
4.2.3 傳感器溫濕度讀取及閾值報警程序設(shè)計 .................................................................. 27
4.2.4 段式 LCD 顯示程序設(shè)計 ............................................................................................ 29
4.2.5 下位機 MODBUS RTU 通信程序設(shè)計 ...................................................................... 29
4.2.6 ADC 電源檢測程序設(shè)計 ............................................................................................. 31
4.2.7 DAC7512 驅(qū)動輸出程序設(shè)計 ..................................................................................... 32
4.3 上位機溫濕度監(jiān)測軟件程序設(shè)計..................................................................................... 33
4.3.1 上位機程序整體功能設(shè)計 .......................................................................................... 33
4.3.2 上位機 MODBUS RTU 通信程序設(shè)計 ...................................................................... 34
4.3.3 系統(tǒng)設(shè)置程序設(shè)計 ...................................................................................................... 36
4.3.4 數(shù)據(jù)顯示及查詢程序設(shè)計 .......................................................................................... 38
4.4 本章小結(jié)............................................................................................................................. 41
第 5 章 系統(tǒng)測試及實驗 ............................................................................................................. 43
5.1 系統(tǒng)測試概述..................................................................................................................... 43
5.2 硬件性能測試 ..................................................................................................................... 43
5.3 軟件性能測試..................................................................................................................... 48
5.4 本章小結(jié)............................................................................................................................. 50
第6 章 結(jié)論與展望 ..................................................................................................................... 51
6.1 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 51
6.2 不足之處及未來展望 ......................................................................................................... 51
參考文獻 ....................................................................................................................................... 53
致 謝 ........................................................................................................................................... 55
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景和研究意義 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高和工業(yè)自動化的推廣，各行各業(yè)對于溫濕度的監(jiān)測要求 也越來越高．溫度和濕度的監(jiān)測在暖通空調(diào)、電信基站、計算機房、智能建筑、藥廠、博 物館、車站、機場、白酒釀造車間等各個領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用．溫濕度與工業(yè)生產(chǎn)、日常生 活密切相關(guān)，如在生命科學(xué)設(shè)施，計量/校準(zhǔn)實驗室和電子制造環(huán)境，溫度和濕度往往需要 監(jiān)測和報警顯示，以保障產(chǎn)品和工藝．另外，在倉庫存儲中也需要實時記錄溫濕度的具體 變化．在日常生活中，只有較好的監(jiān)測了解溫濕度的變化差異，才能更好的生存與發(fā)展．例 如在農(nóng)畜業(yè)中，農(nóng)作物與牲畜只有在適宜的溫度和濕度下才能健康成長． 同時，集成數(shù)字傳感器的溫濕度變送器可以結(jié)合軟硬件的智能化設(shè)計，解決人力資源 浪費，管理不及時，數(shù)據(jù)丟失等問題，并具備響應(yīng)速度快，測量精度高，便于遠(yuǎn)距離傳輸， 模塊集成化等優(yōu)點． 綜上所述，溫濕度監(jiān)測對于工業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境變化等都具有重要的意義，所以能夠成功 研制出一款智能，高精度，普適的溫濕度變送器顯得尤為重要．本課題首先查閱了近年來 國內(nèi)外的溫濕度變送器的開發(fā)狀況，同時結(jié)合實際情況，針對上述問題進行了研究和設(shè)計．
1.2 課題設(shè)計目的 傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測主要依靠人工巡回查看記錄的方式，這造成資源利用效率低下并容 易造成記錄誤差，同時存在人工維護管理成本高的問題．盡管部分企業(yè)已采用了溫濕度監(jiān) 測系統(tǒng)，但如何設(shè)計測量精確，實時性可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測方便，低成本且功能齊全 的溫濕度變送器仍是需要進一步研究的問題． 基于以上問題，本文設(shè)計以STM32F103RCT6芯片為核心控制器開發(fā)一款能夠?qū)崟r監(jiān) 測溫濕度數(shù)據(jù)、符合工程生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、便于管理和數(shù)據(jù)記錄查詢的溫濕度變送器及上位機溫 濕度監(jiān)測軟件．溫濕度變送器的設(shè)備參數(shù)可設(shè)置修改，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、監(jiān)控、存儲， 具備4mA~20mA、0V~5V、0V~10V模擬量輸出接口，其為國際通用標(biāo)準(zhǔn)信號，是連接儀表、 變送設(shè)備、控制設(shè)備、計算機采樣設(shè)備的一種標(biāo)準(zhǔn)，同時可通過MODBUS RTU通信協(xié)議與 上位機通信．上位機開發(fā)主要實現(xiàn)良好的人機交互界面，更加清晰的展現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測效果．本課題針對溫濕度變送器的開發(fā)找到了一條切實可行的方案，并且方法簡單易于實現(xiàn)， 具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益．
1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景
1.3.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國外主要生產(chǎn)溫濕度變送器的公司主要包括西門子、霍尼韋爾等．德國西門子公司為 全球知名的傳感器制造廠商，西門子公司的TH400溫度變送器采用通用性設(shè)計，操作簡單， 能夠應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域．霍尼韋爾公司總部位于美國新澤西州，其的溫濕度傳感器以優(yōu)良 的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性在國際贏得聲譽，其STT350/STT35F溫度變送器具備高精度高性能、 4mA~20mA或現(xiàn)場總線輸出功能，應(yīng)用范圍廣泛[1]． 國內(nèi)的溫濕度變送器產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，很多國內(nèi)廠商所研制的產(chǎn)品都在技術(shù)上取得較大的進步．廣州奧松電子有限公司的AW3010A 電壓型溫濕度變送器具有測量精度高、抗干 擾能力強以及較強的穩(wěn)定性等特點，具有長期穩(wěn)定、溫度測量范圍寬、高低溫度測量精確、 體積小、重量輕、測量精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點．如今廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、電信基站、 通信機房、HAVC 暖通空調(diào)、智能樓宇、博物館、檔案館、辦公室等．
1.3.2 存在的問題及發(fā)展前景
國內(nèi)外在濕度和溫度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步，溫濕度傳感器正從功能簡單向 集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展． 目前，國內(nèi)外市場上提供有許多不同類型、不同檔次的溫濕度變送器．普遍來看，國 外產(chǎn)品自動化程度高，適用面更廣泛，測量數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，但價格也同樣居于高位，很多國 內(nèi)中小型企業(yè)難以承受[2]．而國內(nèi)大部分產(chǎn)品還處于低端階段，雖然價格更加低廉，但測 量精度較低[3]．如何設(shè)計出精度更高，成本更低，更加符合我國生產(chǎn)實際情況的溫濕度變 送器，從而得到更廣泛的推廣和使用是一個需要解決的問題．
1.4 論文研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排
1.4.1 主要研究內(nèi)容 論文從經(jīng)濟成本、實際應(yīng)用等多方面考慮，從實際出發(fā)，提出了基于 STM32 的溫濕度 變送器的設(shè)計與實現(xiàn)方案． 本文研究的關(guān)鍵問題： （1）SHT11及SHT21、DHT11、DHT21同類型溫濕度傳感器的讀取方法； （2）段式液晶的控制方法； （3）4mA~20mA輸出或0V~5V、0V~10V輸出模擬電路設(shè)計方法； （4）RS485電路的設(shè)計方法以及MODBUS RTU協(xié)議編程方法； （5）系統(tǒng)PCB和原理圖的設(shè)計方法； （6）上位機C#軟件編程設(shè)計． 1.4.2 本文章節(jié)安排 本文主要完成溫濕度變送器的硬件和軟件設(shè)計以及上位機溫濕度監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設(shè) 計．
論文共由6個章節(jié)組成，主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下： 第1章：緒論，介紹了溫濕度變送器的研究背景和研究意義，并對國內(nèi)外溫濕度變送器 相關(guān)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進行簡要分析，提出本文主要研究內(nèi)容． 第2章：溫濕度傳感器及總體方案設(shè)計，首先分析了溫濕度的概念和本文選用的溫濕度 傳感器，并提出整個系統(tǒng)的總體設(shè)計方案． 第3章：系統(tǒng)硬件電路，主要介紹了溫濕度變送器的各個硬件組成電路，并分功能模塊 完成電路設(shè)計． 第4章：系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要介紹了單片機程序設(shè)計和上位機軟件程序設(shè)計，包括各功 能模塊的程序設(shè)計流程圖和功能界面效果． 第5章：系統(tǒng)測試及實驗，主要對開發(fā)系統(tǒng)分硬件和軟件兩方面進行性能參數(shù)的測試， 并給出測試結(jié)果． 第6章：結(jié)論與展望，完成對所設(shè)計內(nèi)容的總結(jié)，得出設(shè)計結(jié)論，同時指出整個方案的不足之處和對需要改進之處的展望．
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的温湿度监测系统设计：基于 STM32 的温湿度变送器的设计与实现的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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