【文章內(nèi)容簡介】 25um，PWM輸出5GND地6R串口接收RX7T串口發(fā)送TX雖然此傳感器測量結(jié)果精度較高，但其工作環(huán)境、輸入輸出電流大小不可忽略。 序號項目參數(shù)1測量輸出、PM102量程3供電電壓5V4最大工作電流100mA5休眠電流2mA6工作溫度范圍2050℃7響應(yīng)時間1秒8串口數(shù)據(jù)輸出頻率1次/秒9顆粒物直徑分辨率10相對誤差10%11產(chǎn)品尺寸71x70x23mm4 控制器軟件設(shè)計 主程序設(shè)計空氣凈化器控制系統(tǒng)由初始化程序、觸摸屏控制程序、按鍵處理程序、定時器中斷程序、數(shù)據(jù)采集程序、RTC時鐘程序、定時器中斷程序、LCD顯示程序、串口中斷程序、電機(jī)驅(qū)動程序和低功耗運行程序共同組成[15]。各子程序經(jīng)過單片機(jī)的主程序運算處理，實現(xiàn)了溫濕度測量、液晶顯示、觸屏控制、模式選擇、數(shù)據(jù)傳輸與處理、電機(jī)控制等功能，達(dá)到了凈化空氣、人機(jī)交互、低功耗運行的要求。在整個程序設(shè)計中，采用模塊化編程的方式，使程序更加靈活，方便調(diào)用、移植、調(diào)試。 主程序工作流程圖在接入電源后，單片機(jī)控制器開始工作，首先系統(tǒng)對所需功能進(jìn)行初始化自檢，在完成初始化后，執(zhí)行觸摸屏掃描程序，顯示待機(jī)狀態(tài)下菜單和測量的參數(shù)以及當(dāng)前時間。當(dāng)檢測到屏幕被觸摸后，系統(tǒng)根據(jù)其坐標(biāo)判斷所選擇的命令，并進(jìn)入相應(yīng)子程序。當(dāng)“自動控制”按鈕被選中時會進(jìn)入自動控制程序，完成自動控制。當(dāng)選中“手動控制”按鈕時，顯示手動控制下的二級菜單界面，里面有檔位的選擇和“返回”等按鈕。當(dāng)選中“設(shè)置”按鈕后，系統(tǒng)會進(jìn)入設(shè)置下的二級菜單。可選擇“開機(jī)時間”和“關(guān)機(jī)時間”兩種，在對應(yīng)的三級菜單中，均可通過按鍵設(shè)置定時時間。最后，按“確定”按鈕返回主界面。與此同時，單片機(jī)的中斷子程序一直在運行。定時器中斷處理函數(shù)用于溫濕度定時采集及顯示，并向上位機(jī)發(fā)送參數(shù)。，并顯示在液晶上。串口2中斷函數(shù)將從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定指令調(diào)用相應(yīng)子函數(shù)。其下位機(jī)程序如附錄B所示。 顯示子程序設(shè)計本設(shè)計中，用TFT_LCD液晶屏顯示測量得到的參數(shù)，例如：時間、溫濕度、時間、界面等內(nèi)容。然而要想正確控制液晶顯示參數(shù)，需要對液晶及其控制器進(jìn)行一系列校準(zhǔn)與設(shè)置。 液晶初始化程序流程圖如上圖，在程序開始執(zhí)行時，首先，判斷液晶屏幕是否已經(jīng)通過校準(zhǔn)，若校準(zhǔn)完畢，則顯示待機(jī)狀態(tài)下的菜單，否則需要經(jīng)過校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)；其次，判斷LCD屏幕是否被觸摸，若檢測到，則讀取相應(yīng)觸控點坐標(biāo)，否則返回到待機(jī)狀態(tài)下的顯示界面；最后，根據(jù)所得坐標(biāo)，判斷是否在設(shè)定區(qū)域，若在，則通過ILI9320驅(qū)動器經(jīng)FSMC向LCD指定區(qū)域?qū)懨?，寫?shù)據(jù)，以達(dá)到界面切換或顯示參數(shù)的目的。 具體分析如下： 1）時鐘使能由于STM32單片機(jī)為每個外設(shè)的功能都設(shè)置了時鐘開關(guān)，在需要的時候打開，不需要的時候?qū)⑵潢P(guān)閉，以達(dá)到降低能耗的作用。因此，在上電后，通過程序進(jìn)行功能模塊時鐘的使能。 2）初始化GPIO即通用輸入輸出口。在GPIO初始化時，需要將GPIO輸出類型設(shè)置成為復(fù)用推挽輸出，最大輸出速度為50MHz。FSMC即靜態(tài)存儲控制器。本設(shè)計中單片機(jī)通過FSMC接口控制LCD，因此，LCD相當(dāng)于片外SRAM。在FSMC初始化時，需要對地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號、讀信號、片選信號進(jìn)行設(shè)置。在觸摸屏初始化時，首先初始化相關(guān)GPIO，并將其設(shè)置成為上拉模式，其次初始化24C02 存儲器，最后判斷屏幕是否已經(jīng)校準(zhǔn)。 3）單片機(jī)與存儲器的I2C通信單片機(jī)通過串行總線通信可以使硬件電路大大簡化，提高可靠性。I2C總線只有兩根雙向信號線。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，兩根信號線均為高電平[6]。當(dāng)連接在總線上的任一器件變低時都能將總線的信號拉低。主機(jī)若要與某個器件通信，則必須通過總線仲裁，根據(jù)地址來決定哪個器件作為接收器。 I2C通信流程圖如上圖，當(dāng)單片機(jī)準(zhǔn)備與24C02通信時，首先產(chǎn)生起始信號，為發(fā)送寫命令做好準(zhǔn)備，在發(fā)送完成后，等待應(yīng)答信號，然后發(fā)送高地址、低地址，在信號線發(fā)出應(yīng)答信號后，向該地址發(fā)送想要傳輸?shù)淖止?jié)，最后等待接收的應(yīng)答，完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。I2C在傳輸數(shù)據(jù)時，當(dāng)時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定[1]。只有當(dāng)時鐘線為低電平時才允許數(shù)據(jù)變化。 I2C數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。 起始信號與終止信號時序圖u 起始信號程序設(shè)計：首先將信號線SCL、SDA拉高一段時間，然后將數(shù)據(jù)線SDA拉低，等待時間超過4us后，將時鐘線拉低即可實現(xiàn)產(chǎn)生一個起始信號。u 終止信號程序設(shè)計：首先將信號線SCL、SDA拉低一段時間，然后將時鐘線SCL拉高，等待時間超過4us后，將數(shù)據(jù)線拉高即可實現(xiàn)產(chǎn)生一個終止信號。 I2C產(chǎn)生應(yīng)答信號與非應(yīng)答信號時序u 應(yīng)答信號程序設(shè)計：首先將SCL、SDA拉低，一段時間后將SCL拉高，等待時間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，整個過程中SDA是處于低電平狀態(tài)，在程序中以返回值“0”代替。u 非應(yīng)答信號程序設(shè)計：首先將SCL拉低、SDA拉高，一段時間后將SCL拉高，等待時間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個非應(yīng)答信號，整個過程中SDA是處于高電平狀態(tài)，在程序中以返回值“1”代替。 。 數(shù)據(jù)傳輸格式當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送高位，再傳送地位。在每一個傳送的字節(jié)后面都會跟隨一位應(yīng)答位。當(dāng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，如果在一段時間后，主機(jī)并未收到從機(jī)的應(yīng)答信號，則自認(rèn)為從機(jī)已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)。4）液晶屏幕校準(zhǔn)觸摸屏為絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，即每次的坐標(biāo)與上一次坐標(biāo)沒有任何關(guān)系。在理論上，同一點輸出的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，但在實際中，由于技術(shù)等原因，無法保證每次在同一點輸出的數(shù)據(jù)保持一致，這時將會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生，需要通過程序進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，在程序中使用的LCD坐標(biāo)通常是以像素為單位的，故需要通過程序?qū)⑽锢碜鴺?biāo)轉(zhuǎn)化為像素坐標(biāo)。轉(zhuǎn)化公式如下所示：其中，LCD_X、LCD_Y為LCD上的像素橫縱坐標(biāo)。Px、Py分別為觸摸的物理坐標(biāo)。x_factor、y_factor分別為X、Y軸上的比例因子。x_shift、y_shift分別為X、Y軸上的偏移量。 液晶屏幕校準(zhǔn)流程圖u 液晶屏幕校準(zhǔn)：首先，在屏幕上顯示已知坐標(biāo)的四個點，用戶在校準(zhǔn)的過程中需要依次按下屏幕上這四個點[5]。單片機(jī)根據(jù)按下的位置獲取物理坐標(biāo)，在判別坐標(biāo)合理的情況下，根據(jù)待定系數(shù)法計算出x_factor、y_factor、x_shift、y_shift參數(shù)，并將其保存到24C02存儲器中。在以后的使用中，將會按照這個參數(shù)來計算像素坐標(biāo)，達(dá)到屏幕校準(zhǔn)的目的。u 坐標(biāo)合理判別：在單片機(jī)讀取四個物理坐標(biāo)（設(shè)為①、②、③、④）后，分別測量坐標(biāo)①②、②③、①③、①④距離。然后與設(shè)定的四個坐標(biāo)之間相應(yīng)的距離相比，若誤差小于ERR_LENGTH，則認(rèn)為此坐標(biāo)合理。在本設(shè)計中ERR_LENGTH取50。 PWM輸出子程序設(shè)計PWM即脈沖寬度調(diào)制，將恒定的電壓調(diào)制成頻率、占空比可變的一系列方波。單片機(jī)可利用定時器產(chǎn)生PWM波，并通過程序可設(shè)置輸出頻率和占空比。 PWM輸出流程圖如上圖所示，上電后，在執(zhí)行到該子程序時，首先，設(shè)置TIM3_CCR2的值，即定時器內(nèi)高低電平切換值；其次，定時器3寄存器CR1以初始化中設(shè)置的頻率自加，當(dāng)其值大于TIM3_CCR2設(shè)置值后，輸出高電平，否則輸出低電平；最后，當(dāng)CR1等于初始化中設(shè)定的上限值時，重置CR1為零，繼續(xù)循環(huán)以上程序。因此能連續(xù)不斷的輸出頻率周期一定的高低電平。在程序運行過程中，可通過設(shè)置TIM3_CCR2的值來改變輸出PWM波的占空比。 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 溫濕度傳感器模塊程序設(shè)計DHT11溫濕度傳感器采用單總線方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，僅僅需要一個引腳即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[7]。傳感器內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)通過引腳一次性傳給單片機(jī)。其數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分。格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和。 DHT11引腳功能圖Pin名稱功能1VDD電源正極2DATA數(shù)據(jù)傳輸引腳3NC懸空4GND電源負(fù)極單片機(jī)PG11引腳與傳感器DATA相連，當(dāng)準(zhǔn)備與其通訊時由單片機(jī)發(fā)送開始信號。此時，傳感器將轉(zhuǎn)換成高速模式，直到主機(jī)的開始信號結(jié)束后，DHT11對單片機(jī)進(jìn)行響應(yīng)處理，同時，送出采集到的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)下一次信號的采集[8]。在采集完成后將會轉(zhuǎn)換到低速模式，等待下一次主機(jī)的開始信號。 DHT11通訊過程首先，由主機(jī)拉低數(shù)據(jù)線，經(jīng)過一段延時后，拉高數(shù)據(jù)線，等待大概30us后讀取DHT11的響應(yīng)。在DHT發(fā)出響應(yīng)輸出后，保持一段時間，再將其拉高，這樣就可以傳輸數(shù)據(jù)了。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)后，由程序定義兩個數(shù)組，分別存儲溫度和濕度數(shù)據(jù)。在經(jīng)過簡單運算后，由液晶顯示函數(shù)顯示在TFT_LCD相應(yīng)位置。 DHT11工作流程圖 ，并通過串行通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)。其工作波特率為9600。 如圖所示，由于該傳感器是通過串口進(jìn)行通訊的，故初始化串口后，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時會進(jìn)入串口中斷，在中斷函數(shù)中，將接收到的數(shù)據(jù)保存至數(shù)組。a）串口通信：串口即通過串行方式通訊的擴(kuò)展接口，串行通訊線路連接簡單可靠，但傳輸速度略慢。STM32F103ZET6單片機(jī)擁有5個串口，其接收與發(fā)送引腳分別為PA9，PA10。 串口初始化流程圖在初始化過程中，首先初始化所用功能的時鐘；然后將串口進(jìn)行復(fù)位處理，以免受外設(shè)異常的干擾；由于該傳感器傳輸速度為9600位/秒，故在串口參數(shù)初始化中將波特率設(shè)置為9600；最后進(jìn)行中斷的配置，設(shè)置中斷分組和NVIC優(yōu)先級。b）：SDS011激光傳感器通過串口每次發(fā)送10位16進(jìn)制數(shù)據(jù)，依次為：報文頭