【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 與 OUT OUT4 為兩路電壓輸出端。由于該軸流風(fēng)機(jī)為無(wú)刷直流電機(jī)，其內(nèi)部自帶換向器，因此只能輸入無(wú)任何波動(dòng)的直流電，而輸出端輸 出的電壓為占空比可調(diào)的方波，為解決這一問(wèn)題，并聯(lián)了 220uF 的電容進(jìn)行濾波處理。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 13 頁(yè) 共 45 頁(yè) 按鍵電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，采用按鍵調(diào)節(jié)方式對(duì)控制器的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。由于只涉及到小時(shí)與分鐘的更改，故采用兩個(gè)獨(dú)立按鍵調(diào)節(jié)。其硬件電路如圖 所示。 圖 按鍵電路硬件連接圖 其中， S1 按鍵為高電平輸入方式與 PA0 相連， S2 按鍵為低電平輸入方式與 PE4 相接。在進(jìn)入設(shè)置第三級(jí)菜單后，可通過(guò)按鍵的方式設(shè)定開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間。 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì) 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì) DHT11 傳感器既能測(cè)量溫度又能測(cè)量濕度，并以二進(jìn)制數(shù)字形態(tài)返回。其采用單線制串行接口，使硬件電路連接簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)置自校準(zhǔn)程序，將參數(shù)保存在芯片中，當(dāng)傳感器工作時(shí)需要調(diào)用這些系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。其溫度測(cè)量范圍為 050 度，精度為177。 2度，濕度測(cè)量范圍 20%90%，精度為177。 5%RH。其硬件連接如圖 所示。 圖 DHT11溫濕度傳感器連接圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 14 頁(yè) 共 45 頁(yè) DHT11 的供電電壓為 35V。 由 于采用單總線方式，故只需一個(gè)引腳即可，該引腳接在 單片機(jī) PG11 上 ，讀數(shù)時(shí)需通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序 。 傳感器模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中選用的 傳感器 ， 利用激光散射的原理可以精確測(cè)得空氣中的 濃度，操作簡(jiǎn)單，集成度高，內(nèi)置散熱風(fēng)扇，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。其實(shí)物如圖 所示。 圖 該傳感器通過(guò) 串口與單片機(jī) PA10， PA11 相連 ，既 能 測(cè)量 含量又能測(cè)量 PM10濃度，只是輸出引腳不同。具體引腳定義如表 所示。 表 SDSO11激光傳感器引腳定義 管腳 名稱 備注 1 CTL 控制腳，備用 2 1um 大于 ， PWM輸出 3 5V 5V電源輸入 4 25um 大于 ， PWM輸出 5 GND 地 6 R 串口接收 RX 7 T 串口發(fā)送 TX 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 15 頁(yè) 共 45 頁(yè) 雖然此傳感器測(cè)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，具體技術(shù)指標(biāo)如表 。 表 序號(hào) 項(xiàng)目 參數(shù) 1 測(cè)量輸出 、 PM10 2 量程 /立方米 3 供電電壓 5V 4 最大工作電流 100mA 5 休眠電流 2mA 6 工作溫度范圍 2050℃ 7 響應(yīng)時(shí)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(duì)誤差 10% 11 產(chǎn)品尺寸 71x70x23mm 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 16 頁(yè) 共 45 頁(yè) 4 控制器軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 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(shí)器中斷程序、數(shù)據(jù)采集程序、 RTC 時(shí)鐘程序、定時(shí)器中斷程序、 LCD 顯示程序、串口中斷程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和低功耗運(yùn)行程序共同組成 [15]。各子程序經(jīng)過(guò)單片機(jī)的主程序運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)了溫濕度測(cè)量、 濃度檢測(cè)、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(yùn)行的要求。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)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。具體工作流程如 圖 示。 圖 主程序工作流程圖 在接入電源后，單片機(jī)控制器開(kāi)始工作，首先系統(tǒng)對(duì)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(cè)量的參數(shù)以及當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)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(dòng)控制”按鈕被選中時(shí)會(huì)進(jìn)入自動(dòng)控制程序，系統(tǒng)根 據(jù)測(cè)量的 濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 17 頁(yè) 共 45 頁(yè) 的轉(zhuǎn)速，完成自動(dòng)控制。當(dāng)選中“手動(dòng)控制”按鈕時(shí)，顯示手動(dòng)控制下的二級(jí)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(huì)進(jìn)入設(shè)置下的二級(jí)菜單?？蛇x擇“開(kāi)機(jī)時(shí)間”和“關(guān)機(jī)時(shí)間”兩種，在對(duì)應(yīng)的三級(jí)菜單中，均可通過(guò)按鍵設(shè)置定時(shí)時(shí)間。最后，按“確定”按鈕返回主界面。 與此同時(shí)，單片機(jī)的中斷子程序一直在運(yùn)行。定時(shí)器中斷處理函數(shù)用于溫濕度定時(shí)采集及顯示，并向上位機(jī)發(fā)送參數(shù)。串口 1中斷函數(shù)執(zhí)行對(duì) 的采集與計(jì)算，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(jì) 本設(shè)計(jì)中，用 TFT_LCD 液晶屏顯示測(cè)量得到的參數(shù)，例如：時(shí)間、溫濕度、 濃度、時(shí)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(duì)液晶及其控制器進(jìn)行一系列校準(zhǔn)與設(shè)置。具體操作流程如圖 所示。 圖 液晶初始化程序流程圖 如上圖，在程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先，判斷液晶屏幕是否已經(jīng)通過(guò)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(guò)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(cè)到，則讀取相應(yīng)觸控點(diǎn)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(guò) ILI9320 驅(qū)動(dòng)器經(jīng) FSMC 向 LCD 指 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 18 頁(yè) 共 45 頁(yè) 定區(qū)域?qū)懨?，?xiě)數(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(shí)鐘使能 由于 STM32 單片機(jī)為每個(gè)外設(shè)的功能都設(shè)置了時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，在需要的時(shí)候打開(kāi)，不需要的時(shí)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(guò)程序進(jìn)行功能模塊時(shí)鐘的使能。 2）初始化 GPIO 即通用輸入輸出口 。 在 GPIO 初始化時(shí)，需要將 GPIO 輸出類(lèi)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(chǔ)控制器。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過(guò) FSMC 接口控制 LCD，因此， LCD 相當(dāng)于片外 SRAM。在 FSMC 初始化時(shí)，需要對(duì)地址線、數(shù)據(jù)線、寫(xiě)信號(hào)、讀信號(hào)、片選信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。 在觸摸屏初始化時(shí)，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(chǔ)器，最后判斷屏幕是否已經(jīng)校準(zhǔn)。 3）單片機(jī)與存儲(chǔ)器的 I2C通信 單片機(jī)通過(guò)串行總線通信可以使硬件電路大大簡(jiǎn)化，提高可靠性。 I2C 總線只有兩根雙向信號(hào)線 。 當(dāng)總線 處于 空閑 狀態(tài) 時(shí)，兩根 信號(hào) 線均為高電平 [6]。當(dāng)連接在總線上的任一器件變低時(shí)都能將總線的信號(hào)拉低。主機(jī)若要與某個(gè)器件通信，則必須通過(guò)總線仲裁，根據(jù)地址來(lái)決定哪個(gè)器件作為接收器。單片機(jī)通過(guò) I2C 和 24C02 通信流程如圖 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 19 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 I2C通信流程圖 如上圖，當(dāng)單片機(jī)準(zhǔn)備與 24C02 通信時(shí)，首先產(chǎn)生起始信號(hào)，為發(fā)送寫(xiě)命令做好準(zhǔn)備，在發(fā)送完成后，等待應(yīng)答信號(hào)，然后發(fā)送高地址、低地址，在信號(hào)線發(fā)出應(yīng)答信號(hào)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(shí)，當(dāng)時(shí)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(shí)鐘線為低電平時(shí)才允許數(shù)據(jù)變化 。 其傳輸狀態(tài) 如圖 所示。 圖 I2C數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài) 在圖 中，產(chǎn)生 I2C 起始和終止信號(hào)時(shí)序如圖 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 20 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖 ? 起始信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將信號(hào)線 SCL、 SDA 拉高一段時(shí)間，然后將數(shù)據(jù)線 SDA 拉低，等待時(shí)間超過(guò) 4us 后，將時(shí)鐘線拉低即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)起始信號(hào)。 ? 終止信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將信號(hào)線 SCL、 SDA 拉低一段時(shí)間，然后將時(shí)鐘線 SCL 拉高，等待時(shí)間超過(guò) 4us 后，將數(shù)據(jù)線拉高即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)。 在圖 中，產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序如圖 所示。 圖 I2C產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序 ? 應(yīng)答信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將 SCL、 SDA 拉低，一段時(shí)間后將 SCL 拉高，等待時(shí)間超過(guò)4us 后，將 SCL 拉低即產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)， 整個(gè)過(guò)程中 SDA 是處于低電平狀態(tài)， 在程序中以 返回值 “ 0”代替。 ? 非應(yīng)答信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將 SCL 拉低、 SDA 拉高，一段時(shí)間后將 SCL 拉高，等待時(shí)間超過(guò) 4us 后，將 SCL 拉低即產(chǎn)生一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)， 整個(gè)過(guò)程中 SDA 是處于高電平狀態(tài)， 在程序中以 返回值 “ 1”代替。 在圖 中， 發(fā)送 數(shù)據(jù)格式如圖 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 21 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 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(shí)，每一個(gè)字節(jié)必須保證是 8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送高位，再傳送地位。在每一個(gè)傳送的字節(jié)后面都會(huì)跟隨一位應(yīng)答位。當(dāng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，如果在一段時(shí)間后，主機(jī)并未收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，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(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，即每次的坐標(biāo)與上一次坐標(biāo)沒(méi)有任何關(guān)系。在理論上，同一點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，但在實(shí)際中，由于技術(shù)等原因，無(wú)法保證每次在同一點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)保持一致，這時(shí)將會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生，需要通過(guò)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(guò)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。屏幕校準(zhǔn)流程如圖 所示。 。_*__ 。_*__ s hi f tyPyf ac toryYL CD s hi f txPxf ac torxXL CD ?? ?? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 22 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 液晶屏幕校準(zhǔn)流程圖 ? 液晶 屏幕 校準(zhǔn)： 首先，在 屏幕 上 顯示 已知坐標(biāo)的四個(gè) 點(diǎn)， 用戶在校準(zhǔn)的過(guò)程中需要依次按下屏幕上這四個(gè)點(diǎn) [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(jì)算出 x_factor、 y_factor、 x_shift、 y_shift 參數(shù)，并將其保存到 24C02 存儲(chǔ)器中。在以后的使用中，將會(huì)按照這個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算像素坐標(biāo)，達(dá)到屏幕校準(zhǔn)的目的。 ? 坐標(biāo)合理判別：在單片機(jī)讀取四個(gè)物理坐標(biāo)（設(shè)為①、②、③、④）后，分別測(cè)量坐標(biāo)①②、②③、①③、①④距離。然后與設(shè)定的四個(gè)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(jì)中 ERR_LENGTH 取 50。 PWM 輸出子程序設(shè)計(jì) 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(shí)器產(chǎn)生 PWM 波，并通過(guò)程序可設(shè)置輸出頻率和占空比。 其 PWM 輸出流程如圖 所示 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 23 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 PWM輸出流程圖 如上圖所示，上電后，在執(zhí)行到該子程序時(shí)，首先，設(shè)置 TIM3_CCR2 的值，即定時(shí)器內(nèi)高低電平切換值；其次，定時(shí)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(shí)，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(yùn)行 過(guò)程中 ，可通過(guò)設(shè)置 TIM3_CCR2 的值來(lái)改變輸出 PWM 波的占空比。 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 溫濕度傳 感器模塊程序設(shè)計(jì) 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(gè) 引腳 即可實(shí)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(guò)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(yàn)和。其引腳功能如表 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 24 頁(yè) 共 45 頁(yè) 表 DHT11引腳功能圖 Pin 名稱 功能 1 VDD 電源正極 2 DATA 數(shù)據(jù)傳輸引腳 3 NC 懸空