基于STM32的智能粮仓系统设计

百科   2024-12-07 09:20   北京  

随着粮食质量要求的提高和储存方式的改变,对于粮仓环境的监测和控制也愈发重要。在过去的传统管理中,通风、防潮等操作需要定期人工进行,精度和效率都较低。而利用嵌入式技术和智能控制算法进行监测和控制,不仅能够实时掌握环境变化,还可以快速做出响应。

一、项目简介

本项目选择STM32F103RCT6作为主控芯片,采用DHT11温湿度传感器MQ9可燃气体检测模块进行数据采集,在本地利用显示屏实时显示出来。WiFi模块则用于与手机端实现数据通信和远程控制,方便用户随时了解粮仓环境状况并进行相应的操作。同时,通过连接继电器控制通风风扇和蜂鸣器报警,实现了智能化的温湿度检测和可燃气体浓度检测。

二、硬件选型

三、设计思路

1.硬件层

2.软件层

四、代码设计

1.DHT11采集温湿度

下面代码是通过STM32F103RCT6采集DHT11温湿度数据通过串口打印输出(使用HAL库)

 #include "main.h"
 #include "dht11.h"

 UART_HandleTypeDef huart1;

 void SystemClock_Config(void);
 static void MX_GPIO_Init(void);
 static void MX_USART1_UART_Init(void);

 int main(void)
 {
   HAL_Init();
   SystemClock_Config();
   MX_GPIO_Init();
   MX_USART1_UART_Init();

   char temp[20];
   char humi[20];
   while (1)
  {
     DHT11_Read_Data(temp, humi); // 读取DHT11数据
     printf("Temperature: %s C, Humidity: %s %%\r\n", temp, humi); // 打印温湿度数据
     HAL_Delay(2000); // 延时2秒
  }
 }

 void SystemClock_Config(void)
 {
   RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
   RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

   RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
   RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
   RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
   RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_OFF;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
   if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
   RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
   RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
   RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
   RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
   RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
   if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
 }

 static void MX_USART1_UART_Init(void)
 {
   huart1.Instance = USART1;
   huart1.Init.BaudRate = 115200;
   huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
   huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
   huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
   huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
   huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
   huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
   if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
 }

 void Error_Handler(void)
 {
   __disable_irq();
   while (1)
  {
  }
 }

 static void MX_GPIO_Init(void)
 {
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

   /* GPIO Ports Clock Enable */
   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

   /*Configure GPIO pin Output Level */
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

   /*Configure GPIO pin : PC13 */
   GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
   HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
 }

 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
 {
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
     /* Peripheral clock enable */
     __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
     __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

     /**USART1 GPIO Configuration    
      PA9     ------> USART1_TX
      PA10     ------> USART1_RX
      */
     GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
     HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
 }

 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
 {
   if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
     /* Peripheral clock disable */
     __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

     /**USART1 GPIO Configuration    
      PA9     ------> USART1_TX
      PA10     ------> USART1_RX
      */
     HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10);
  }
 }

上面代码里,使用了DHT11读取函数DHT11_Read_Data(),该函数返回温度值和湿度值,并将其转换为字符串形式。通过串口与电脑连接后,可以使用串口调试软件来查看STM32采集到的温湿度数据。


2.采集MQ9有毒气气体

下面代码是通过STM32F103RCT6采集MQ9可燃气体转为浓度通过串口打印(使用HAL库)

 #include "main.h"
 
 UART_HandleTypeDef huart1;
 ADC_HandleTypeDef hadc1;

 void SystemClock_Config(void);
 static void MX_GPIO_Init(void);
 static void MX_USART1_UART_Init(void);
 static void MX_ADC1_Init(void);

 int main(void)
 {
   HAL_Init();
   SystemClock_Config();
   MX_GPIO_Init();
   MX_USART1_UART_Init();
   MX_ADC1_Init();

   uint16_t adc_value;
   float voltage;
   float concentration;
   char buffer[20];

   while (1)
  {
     HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC转换
     if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) // 等待转换完成
    {
       adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取原始ADC值
       voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4096.0f; // 转换为电压值
       concentration = (float)(2.5f - voltage) / 0.2f; // 根据MQ9传感器曲线计算浓度值
       sprintf(buffer, "Concentration: %.2f %%\r\n", concentration); // 将浓度值转换为字符串
       printf("%s", buffer); // 通过串口打印浓度值
    }
     HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC转换
     HAL_Delay(2000); // 延时2秒
  }
 }

 void SystemClock_Config(void)
 {
   RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
   RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

   RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
   RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
   RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
   RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_OFF;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
   if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
   RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
   RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
   RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
   RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
   RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
   if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
 }

 static void MX_ADC1_Init(void)
 {
   ADC_ChannelConfTypeDef sConfig;

   hadc1.Instance = ADC1;
   hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
   hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
   hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
   hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
   hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
   hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
   if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
   sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5;
   sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
   sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES5;
   if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
 }

 static void MX_USART1_UART_Init(void)
 {
   huart1.Instance = USART1;
   huart1.Init.BaudRate = 115200;
   huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
   huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
   huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
   huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
   huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
   huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
   if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
     Error_Handler();
  }
 }

 void Error_Handler(void)
 {
   __disable_irq();
   while (1)
  {
  }
 }

 static void MX_GPIO_Init(void)
 {
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

   /* GPIO Ports Clock Enable */
   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

   /*Configure GPIO pin Output Level */
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

   /*Configure GPIO pin : PC13 */
   GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
   HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
 }

 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
 {
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
     /* Peripheral clock enable */
     __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
     __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

     /* USART1 GPIO Configuration    
      PA9     ------> USART1_TX
      PA10     ------> USART1_RX
     */
     GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
     HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
 }

 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
 {
   if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
     /* Peripheral clock disable */
     __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

     /* USART1 GPIO Configuration    
      PA9     ------> USART1_TX
      PA10     ------> USART1_RX
     */
     HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10);
  }
 }

上面代码里,通过ADC采集MQ9可燃气体浓度。由于MQ9传感器的输出信号与浓度值之间不是线性关系,需要根据其曲线进行计算,将电压转换为浓度值。

在这里,采用了简单的公式:Concentration=(2.5−V)/0.2

其中V为MQ9传感器输出的电压值,Concentration为可燃气体浓度。

在主函数里,先调用MX_ADC1_Init()函数中初始化ADC,将输入通道设置为PA5(也就是ADC_CHANNEL_5)


PS:粮仓中使用的各种温度传感器

在早期的粮仓电子测温中,热敏电阻和PN结温度传感器使用得比较多。热敏电阻获得较多应用的原因是价格低而灵敏度也比较高,其主要的缺点是非线性严重和互换性差。而PN结温度传感器的主要优点是线性度比较好,一般不需要做非线性校正。而且价格也比较低,甚至普通的硅三极管都可以用来作PN结温度传感器。至于热电偶,由于需要做冷端温度补偿导致电路复杂、成本较高,长时间使用后特性又有变化等因素,在粮仓测温中使用热电偶的很少,偶见报道。


传统的温度传感器由于电路复杂、性能不够理想等因素,逐渐地被后来出现的先进的集成化温度传感器所部分替代。在集成化温度传感器中,LM35与AD590的不同之处在于:LM35的输出量是电压,其输出电压与摄氏温度成正比;而AD590 的输出量是电流,其输出电流是与热力学温度成正比。因此,在使用上LM35比AD590要方便,但是在粮仓测温这个背景下,肯定需要对信号进行长线传输,LM35容易受引线电阻等的影响,而AD590就具有很大优势。所以,在粮仓测温中,AD590的使用要远远多于LM35。上述的这些温度传感器的输出量都是电压、电流等模拟信号,归为模拟传感器的范畴。如果要用微处理器对这些传感器的输出量进行处理,必须在传感器之后加入ADC,有一些传感器还需要加上信号处理电路,对传统传感器而言,这部分电路非常复杂。而DS18B20输出的就是数字量,可以直接与微处理器相连接,所以DS18B20成为新研制粮仓测温电路中最热的传感器。但是,DS18B20也没有完全替代其它的温度传感器。在一些场合下,测温精度不需要很高,但是成本控制很重要,而每个粮仓中间都需要大量温度传感器,这时候热敏电阻和PN结温度传感器就成为低成本测温系统的主要选择。在传输线很长的情况下,作为恒流源器件的AD590比DS18B20更具有优势;而且,AD590M比DS18B20具有更高的精度,在一些高精度测温系统或者精密研究中,AD590M是很好的选择。







雨飞工作室
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