环境监控系统设计Word文档格式.docx

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关键词：

静电纺丝；

STM32；

温湿度控制

Abstract

Nanotechnologytodayhasbecomemorewidelyusedinvariousresearchareas,morepeopleareconcernedaboutthecontinuouspreparationofmicroelectrostaticspinningnanofibers,electrostaticspinningmethodistheelectricfieldstrengthgeneratedbythehigh-voltageelectrostaticgeneratorstretchedpolymersolutionorImportantmethodtoprepareameltoftheultra-finefibers,canbeobtainedbythismethodforthefollowingconsecutivemicronultrafinefibersbytheelectrostaticspinningmethodcanbepreparedbyavarietyofnanofibersbyelectrostaticspinningnanofiberspreparedbythemethod,nano-sizehavingasmalldiameterandhighsurfaceareafibersareformedbetweenthesmallpores[1].Foundasignificantimpactonchangingthetemperatureandhumidityofthefiberdiameterandmorphology,andthereforehavegreatsignificancerelativelyconstanttemperatureandhumiditycontrolinindustrialproductionintheirstudies.

ThesystemisdesignedtocollecttemperatureandhumiditycontrolsystembasedonanSTM32,whichisahigh-performancesingle-chip32-bitmachine,withawealthofhardwareresourcesandaverystronganti-interferenceability,especiallyforcomposingintelligentmeasurementandcontrolinstrumentsandindustrialmonitoringandcontrolsystem.SystemasasinglechipmicrocontrollerSTM32F103RBT6buildingdigitaltemperatureandhumiditycontrol,collectedbytemperatureandhumiditysensordatatocomparewiththeprovisionsofthedata,completetheon-sitecontrolequipment,therebyensuringarelativelyconstanttemperatureandhumidityindex,whilethecollecteddatatransmittedtothePC,PCtocollectmachinedataisconvertedtodigitalinformationorcharts,displayedandstored.Thesystemincludes:

collectionandprocessingofdata,feedbackperformcommunicationpart,human-computerinteractionpartofthehostcomputer.

KeyWords：

Electrostaticspinning;

STM32;

Temperatureandhumiditycontrol

1.绪论

1.1课题研究的背景

静电纺丝技术是一门交叉学科技术，至今人们对它的研究还处于萌芽阶段，需要更多的科学爱好者为之奋斗，Formalas曾在1934年用过静电推力的作用制备出聚合物纤维，并随后进行了专利的申请，被视为静电纺丝技术的鼻祖。

由于液体在电场力的作用下会发生喷射现象，进而引起了人们对静电纺丝的研究兴趣。

Raleigh在1882年实验发现，随着电场力的增强，液滴被分散为无数小颗粒，从而导致其原本状态被破坏，这种不稳定现象后来被人们称为“RaleighInstability”。

随后，1915年泰勒对电场力作用下液滴的分裂问题进行了研究和实验，随着电场力的增强，在与表面张力等值的时候形成49.3℃的圆锥，被称为Taylor锥。

至此，由于数位科学家的不懈努力，人们对液体带电颗粒在电场力作用下其运动及形态变化有了初步的认识，液体的电喷技术随后被引入制作纤维形成了早期的静电纺丝技术。

之后，几位教授进一步完善了高分子材料相关的静电纺丝技术基础[2]。

目前，静电纺丝技术的局限性仍十分巨大，仅从部分角度进行了分析，近年来，制备纳米纤维的这种技术由于纳米技术的发展也得到了长足的发展[3]。

国内对此研究甚少，中国纺织科学研究院几位学者采用过静电纺丝法，纺制纳米纤维聚丙烯腈纤维毡。

首先受限于国人对此学科知识的了解，其次部分实验仪器难以达到静电纺丝工艺的工业标准，给我们带来了许多困难，毋庸置疑的是通过我国学者的努力，中国静电纺丝技术一定会有迅猛的发展[4]。

1.2静电纺丝技术应用及发展前景

近年来，人们对纳米技术的研究日趋成熟，而随之而来的是作为其制造技术的电紡技术得到了完善和发展，对其相关学科的发展也得到了促进作用，尤其在生物医学领、能源光电、食品食质，过滤催化等领域发挥显著的作用。

在医药医学的研究方面，由于人的结缔组织及上皮细胞的构成与纳米纤维化学性质相似，由于生物的相似相容性，我们可以通过其仿真人体器官的生物功能，进而实现对人体器官的再造或者是修补[5]。

此外由于其表面积及表面空隙的优良特性，纳米纤维非常适合作为药物载体，能更高效准确的实现药物作用。

除此，还非常适合作为气体过滤及环境保护的重要材料，也能提高某类传感器的性能，对能源、光电、食品工程、化妆品、催化等领域的发展有巨大推动作用[6]。

静电纺丝技术毋庸置疑有着广阔的发展空间，但不可否认其生产工艺制约着其发展，延缓其工业化的发展。

目前，其生产技术与工业要求还有一定的差距，高速旋转收集制备纳米纤维的技术有着严重缺陷，为此我们应着力其技术的研究加快静电纺丝工业化的脚步。

1.3课题研究的意义

对于静电纺丝技术而言，在通过静电纺丝技术制备纳米纤维的过程中，其制备设备的可靠性起着至关重要的作用，如纺丝溶液的储存箱，溶液移送装置，喷头基座等。

除此之外，其制造过程中内部温度和湿度会影响被纺丝出来的纳米纤维的纤维直径，进而影响其可纺丝性，研究表明，被纺纳米纤维的直径会随着溶液液滴分子质量和浓度的增加而增加。

其次在射流区间的温度湿度控制，会通过影响液体固化的速度来影响其分子直径，即，若溶媒的沸点相对越低，则溶媒的挥发速度相对越快，进而制备的纤维的直径相对较粗。

相反地，若溶媒的沸点相对越高，则会形成直径相对较细的纤维。

对于电纺丝区域的温度和湿度而言，纺丝溶液的粘度会因为纺丝区域的温湿度改变而发生变性，从而改变纺丝溶液的表面张力，因此会影响被纺丝出来纤维的质量[7]。

为此，我们希望在研究纺丝的过程中，能够确认不同的环境温湿度对静电纺丝制备纳米纤维的影响，并能简便快捷的调控纺丝温湿度，纺制出高质量的纳米纤维，进一步推进静电纺丝的快速发展。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的可调节纺丝温湿度的静电纺丝装置，以克服上述缺陷。

2.系统方案分析

2.1控制系统的论证与选择

通过众多文献的查阅，选出以下几种较为可行的温湿度控制方案：

（1）通过对单片机的控制，以温湿度传感器、A/D转换器等模块进行外围电路的搭建，组建可控硅调控的温湿度控制系统。

（2）以零电压开关（ZVS）温湿度控制芯片核心，控制连接在AC线路上的电阻性负载，并通过双向晶闸管过零模式的管来实现温度和湿度控制，电路较为简单，元器件少，成本低。

（3）无触点电子开关控制温度湿度的恒定，其由温度传感器、电子开关、比较器等单元构成，可以得到相对稳定的温湿度值以及较高的精度。

（4）通过对CPLD可编程逻辑器件的控制，并由其他单元组成的温湿度控制系统，数据采样控制以及反馈执行均由CPLD实现[8]。

综上所述，基于单片机价格相对便宜，性能优良，且可以非常方便的组建外围电路，本系统采用第一个方案，以STM32F103RBT6单片机为主处理器，通过电磁继电器控制温湿度调节相关外设，从而保证温湿度的相对恒定。

温控系统的实现方案以单片机为核心进行数字温湿度控制器的搭建。

控制原理：

通过温湿度传感器采集的数据与设定数值进行比较，然后对温湿度调节部分做出相应的控制。

数据的采集、处理，外设的反馈执行，系统和上位机的通讯，人机交互部分。

为了提高人机的交互性，本电路将采用基于单片机的数字化温湿度控系统。

系统的结构图如图所示。

图2.1系统的结构图

该系统由CPU、显示模块、反馈执行器模块、接口电路模块、键盘模块、传感器模块、报警装置、执行器模块、电源模块、传输模块、接口电路模块、通信电路模块组成。

CPU模块：

CPU是系统的核心，主要进行数据的处理，每个模块的控制与协调。

显示模块：

显示模块由LCD2864支持。

报警模块：

通过三极管驱动蜂鸣器来报警。

传感器模块：

传感器用于温度湿度数据采集，要求温度范围:

0℃一120℃测温度精度:

士2℃测湿度范围:

1一99%RH测湿度精度:

士2%RH。

执行器模块：

执行器接受来自CPU的控制数据，对温度湿度进行控制。

电源模块：

为整个单片机以及外设提供电源。

接口电路模块：

用于系统扩展。

通信模块：

PC机与系统之间进行通信。

2.2系统各部分的论证与选择

2.2.1单片机的选择

方案一：

采用AT89C51单片机。

AT89C51是具有4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

该器件采用非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，且与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

ATMEL的AT89C51其优势在于参考资料丰富，应用广泛，研究相对完善，毋庸置疑是一种高效经典的微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本[9]。

但是其缺点也非常明显，AT89C51不支持ISP（在线更新程序）功能，处理速度较慢，具有一定局限性，适用于对实时性要求不严的系统中。

方案二：

考虑到STM32F103RBT6具有128KFLASH、20KSRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用IO脚且大部分都允许5V信号，驱动能力强大，大量的不同类型的通讯接口，以及不到13元的批量价，符合单片机的要求。

如果你选择STM32F103RBT6实现这些功能，没有太大的区别，系统芯片的成本提高不明显，但提高了系统的稳定性。

同时，由于STM32构成的系统在实际中应用相当成熟，在批量购买时性价比更加高，更加适合实际的工业生产和控制。

综上所述，本设计选择STM32F103RBT6作为最小系统的CPU。

2.2.2显示器的选择

采用数码管。

数码管的显示原理就是驱动电路来驱动数码管的各个段码，然后显示出所需要的数字，按数码管的驱动方式进行分类，可以分为静态式和动态式两类。

静态显示驱动，静态驱动的优点显示亮度高，尤其是编程相对简单，缺点十分明显就是占用I/O端口多静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指把数码管的每一个段码对应单片机的I/O端口进行驱动。

或者采用BCD码再配合译码驱动器进行驱动，硬件电路的连接稍显复杂。

动态显示驱动是利用人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，数码管本身并非同时点亮，但可以通过加快扫描的速度，给人的视觉感觉就是一组稳定的显示数据，不会感到闪烁时间差，动态显示和静态显示从效果上来说是一样的。

数码管在实际生活中凭借其成本低技术相对简单的特点有着广泛的应用，但对于温湿度的显示不太方便，而且连线复杂，容错率较高[10]。

采用12864液晶屏。

液晶显示是通过电压对其显示区域进行控制，进而显示所需要的数字或图像。

12864具有易于安装生产、低电压、功耗低、辐射低、体积小、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、抗干扰能力十分强，此外具有优秀的分辨率，更加适合用于显示字母、数字、符号等稍显复杂的信息，通过简单的外围电路搭建，即可由单片机直接进行控制输出显示[11,12]。

综上所述，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计相对简单，操作更加方便。

因此我们选择方案二。

2.2.3报警系统的选择

采用语音芯片ISD1820。

该芯片采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列。

使用ISD1820时，为了确定每段语音的起始地址的地址模式，必须要精确计算录音时间与地址单元的换算，使用起来有些繁琐。

而且在多段录放上的操作略显复杂，为实现一个功能要进行多个管脚的操作，对比其他方案是不值得引入使用的。

此外ISD1820价格昂贵，供应不足，毋庸置疑其有着强大的功能，但并不是最好的选择。

使用压电式蜂鸣器。

压电蜂鸣器从转换方式上来说是电声转换装置。

其发生远离简单说是因为压电效应，通过械变形使其发出声音。

蜂鸣器因为其价格低廉易于控制，在各类电子产品中有着广泛的应用。

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器，压电式蜂鸣器，阻抗匹配和共鸣箱，外壳等部分组成，一部分压电蜂鸣器还配备了发光二极管。

在多谐振荡器由晶体管或集成电路中，当电源接通时（1.5-15VDC工作电压），通过输出1.5-2.5KHZ的方波启动音频信号，从而使压电蜂鸣片发声[13]。

综上所述，本设计选择方案二作为本系统的报警模块。

2.3系统设计目标及技术要求

（1）实现对温湿度参数的实时采集和监控。

通过由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，从而实现温湿度的智能测量。

（2）实现超限数据的及时报警。

（3）系统反馈执行部分应具备抗干扰、准确控制及较高的灵敏度。

（4）通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。

与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

（5）长时间测量数据记录功能:

可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入上位机。

（6）监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。

（7）执行模块根据所测温湿度数据与标准数据进行比较，并进行对应的温度湿度调节。

（8）要求达到的技术指标:

温范围:

0℃一50℃测温精度:

士2℃测湿范围:

20一90%RH测湿精度:

士5%RH。

3.硬件系统设计

3.1STM32微处理器

STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。

ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能[14]。

本课题控制系统所使用的处理器为STM32系列产品中STM32F103RBT6，工作于-40°

C至+105°

C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，可以设置工作在省电模式以保证低功率消耗的应用需求，并且具有丰富的外设资源：

●该芯片工作时最高频率可达72MHz；

●内部带有128K字节的闪存和20K字节的SRAM；

●时钟，复位，电源管理：

2.0~3.6伏供电和I/0,可编程电压监测器（PVD），内置4~16MHz石英振荡器，8MHz厂家校准RC为RTC专用32kHz振荡器及校准；

●STM32F103RBT6具有低功耗：

睡眠，终止，待机三种模式；

●DMA：

7通道DMA控制器，支持的外设，数模转换器，SPI接口，i2c接口，USART接口；

●DEBUG模式：

串行线debug（SWD）和JTAG接口；

●STM32F103RBT6有80个快速I/0端口，16个外部中断向量全可映射；

●7个定时器：

三个16位定时器，每个有4个IC/OC/PWM或脉冲计数器，2个16位监视定时器，SysTick定时器，24位递减定时器；

●STM32F103RBT6多达9个通信接口：

2个IC接口（支持SMBus/PMBus），多达3个USART，2个SPI接口（18Mbit/s），CAN接口（2.0BActive），USB2.0全速接口；

检测电路通过A/D转换把输出电压转换为数字信息，再将数字信息交递给单片机进行处理，在控制系统中通常采用模拟量，所以输出的数字量再通过过D/A转换成数字信号，通过连续的控制信号对系统进行控制。

通过连续的模拟信号控制系统的温湿度调节，进而保证温湿度相对恒定。

信号的A/D转换、运算、D/A转换三个步骤，皆可经过STM32来完成[15]。

3.2最小系统

本次硬件的核心就是STM32F103RBT6，其他的外围电路都是围绕它所设计的，系统由STM32F103RBT6作为MCU构成最小应用系统．同时配有8MHz和32.768K晶振和按键复位电路等如图3.1所示。

采用JTAG进行下载代码和调试，如图3.2所示:

图3.1单片机最小系统

图3.2JTAG原理图

图3.3BOOT电路

表3.1启动模式表

BOOT0

BOOT1

启动模式

说明

X

用户闪存存储器

用户闪存存储器，也就是FLASH启动

1

系统存储器

系统存储器启动，用于串口下载

SRAM启动

SRAM启动，用于在SRAM中调试代码

如图启动模式表所示,一般情况下（即标准的ISP下载步骤）如果我们想用用串口下载代码，则必须先配置BOOT0为1，BOOT1为0，然后按复位键，最后再通过程序下载代码，下载完以后又需要将BOOT0设置为GND，以便每次复位后都可以运行用户代码。

3.3传感器电路

DHT11是一款湿温度集成的数字传感器。

该传感器由一个测湿元件和一个NTC测温元件构成，并与一个8位单片机进行组建。

通过单片机等微处理器即可实时的对本地湿度和温度进行采集。

DHT11与单片机之间的通信仅需要一个I/O口就能进行简单的单总线通信。

传感器内部湿度和温度数据全部40位数据一次性传输给单片机，数据再采用校验和方式进行校验，进而保证数据传输的准确性[16]。

DHT11功耗先对较低，实际工作电压为5V，工作平均最大电流不超过0.5mA。

DHT11的技术参数如下：

●工作电压范围：

3.3V-5.5V；

●工作电流：

平均0.5mA；

●输出：

单总线数字信号；

●精度：

湿度±

5%，温度±

2℃；

●分辨率：

湿度1%，温度1℃；

DHT11的管脚排列如图3.4所示：

图3.4DHT11管脚排列图

DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式。

即，单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。

其数据包由5Byte（40Bit）组成。

数据分小数部分和整数部分，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。

DHT11的数据格式为：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。

其中校验和数据为前四个字节相加。

传感器数据输出的是未编码的二进制数据。

数据（湿度、温度、整数、小数）之间应该分开处理。

例如，某次从DHT11读到的数据如图3.5所示：

图3.5某次读取到DHT11的数据

由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法：

湿度=byte4.byte3=45.0（％RH）

温度=byte2.byte1=28.0（℃）

校验=byte4+byte3+byte2+byte1=73（=湿度+温度）（校验正确）

可以看出，DHT11的数据格式是十分简单的，DHT11和MCU的一次通信最大为3ms左右，建议主机连续读取时间间隔不要小于100ms。

下面，我们介绍一下DHT11的传输时序。

DHT11的数据发送流程如图3.6所示：

图3.6DHT11的数据发送流程

首先主机发送开始信号，即：

拉低数据线，保持t1（至少18ms）时间，然后拉高数据线t2（20~40us）时间，然后读取DHT11的相应，正常的话，DHT11会拉低数据线，保持t3（40~50us）时间，作为响应信号，然后DHT11拉高数据线，保持t4（40~50us）时间后，开始输出数据。

DHT11输出数字‘0’的时序如图3.7所示

图3.7DHT11输出数字‘0’的时序如图所示：

DHT11接口电路如图3.