基于STM32的花卉温室控温系统设计

一、前言

随着人们对花卉养殖的需求不断增长，花卉温室的建设和管理成为了一个重要的课题。在花卉温室中，温度是一个至关重要的环境参数，对花卉的生长和发展有着直接的影响。为了提供一个稳定的生长环境，控制温室的温度变得非常重要。

本项目设计一个基于STM32微控制器的花卉温室控温系统。该系统利用STM32F103C8T6作为主控芯片，通过与DS18B20温度传感器和0.96寸OLED显示屏等硬件模块的连接，实现对温室内温度的监测和控制。同时，系统还配备了两个独立按键，用于设置温度阀值。

温度传感器采用DS18B20，能够准确地监测温室内的温度。通过与STM32微控制器的通信，可以实时获取温度数据。显示屏采用SPI协议的0.96寸OLED显示屏，用于显示当前环境的温度以及温度阀值。用户可以通过按键设置温度阀值，以便系统能够根据设定的阀值进行温度控制。

当温度低于设定的温度阀值时，系统将通过继电器控制热风机进行加热，吹出热风来控制室温。通过实时监测温度并根据设定的阀值进行控制，系统能够保持温室内的温度在一个适宜的范围，为花卉提供一个稳定的生长环境。

项目的设计用于提高花卉温室的自动化程度，减轻人工管理的负担，同时提供一个稳定的温度控制方案，以促进花卉的生长和发展。通过使用STM32微控制器和相关硬件模块，该系统能够实现温度的实时监测和自动控制，为花卉温室管理者提供了一种方便、高效的解决方案。

加上远程控制之后的最终系统模型图：

二、硬件选型介绍

以下是基于STM32的花卉温室控温系统的硬件选型：

【1】主控芯片：STM32F103C8T6

• STM32F103系列具有良好的性能和丰富的外设，适合嵌入式应用。
• STM32F103C8T6是一款32位ARM Cortex-M3内核的微控制器，具有64KB的Flash存储器和20KB的RAM。

【2】温度传感器：DS18B20

• DS18B20是一款数字温度传感器，采用单总线接口进行通信。
• 具有高精度、防水防尘等特点，非常适合测量温室内的温度。
• 通过引脚连接到STM32的GPIO口，并使用OneWire协议进行数据通信。

【3】显示屏：0.96寸OLED显示屏

• 选择支持SPI协议的0.96寸OLED显示屏作为显示设备，可以方便地显示环境温度和温度阀值。
• OLED显示屏具有低功耗、高对比度、视角广等优点，适合嵌入式应用。

【4】按键：两个独立按键

• 选择两个独立按键用于设置温度阀值，可以通过按下按钮增加或减小温度阀值。

【5】继电器：用于控制热风机加热

• 根据温度阀值和实时温度数据，通过STM32的GPIO口控制继电器的开关，从而控制热风机的加热。
• 继电器的选型要根据热风机的额定电流和电压来确定，确保能够正常工作。

三、设计思路

软件逻辑设计思路：

【1】初始化STM32外设，包括GPIO、SPI、USART等。

【2】设置温度阀值的初始值，并通过按键调节阀值。

【3】循环读取DS18B20温度传感器的数据，并将读取到的温度值与阀值进行比较。

【4】如果当前温度低于阀值，则控制继电器闭合，热风机开始加热；否则，打开继电器，停止加热。

【5】将温度值和阀值显示在OLED屏幕上，通过USART串口输出给用户。

【6】不断循环执行以上步骤，实现温室的自动控温功能。

伪代码：

// 定义变量
float temperature;  // 当前温度值
float threshold;    // 温度阀值

// 初始化硬件和外设
void initialize() {
    initialize_GPIO();     // 初始化GPIO
    initialize_SPI();      // 初始化SPI
    initialize_USART();    // 初始化USART
    initialize_DS18B20();  // 初始化DS18B20
    initialize_OLED();     // 初始化OLED显示屏
    initialize_Button();   // 初始化按键
    initialize_Relay();    // 初始化继电器
}

// 读取温度值
float readTemperature() {
    // 通过DS18B20读取温度值
    // 返回温度值
}

// 读取阀值
float readThreshold() {
    // 读取按键的状态，并调节阀值
    // 返回阀值
}

// 控制加热器
void controlHeater(float currTemperature, float currThreshold) {
    if (currTemperature < currThreshold) {
        // 温度低于阀值，控制继电器闭合，热风机加热
    } else {
        // 温度高于或等于阀值，打开继电器，停止加热
    }
}

// 显示温度和阀值
void displayTemperature(float currTemperature, float currThreshold) {
    // 在OLED屏幕上显示温度值和阀值
    // 通过USART串口输出温度值和阀值
}

// 主函数
int main() {
    initialize();  // 初始化
    
    while (1) {
        temperature = readTemperature();          // 读取温度值
        threshold = readThreshold();              // 读取阀值
        controlHeater(temperature, threshold);     // 控制加热器
        displayTemperature(temperature, threshold);// 显示温度和阀值
    }

    return 0;
}

以上是基本的软件逻辑设计思路和伪代码。

四、代码实现

4.1 读取温度显示

下面是使用STM32F103C8T6读取DS18B20温度传感器数据，并将温度显示到OLED显示屏上的实现代码：

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "onewire.h"
#include "ds18b20.h"
#include "ssd1306.h"

int main(void)
{
    // 初始化延迟函数
    delay_init();
    
    // 初始化OLED显示屏
    SSD1306_Init();
    
    // 初始化DS18B20温度传感器
    DS18B20_Init();
    
    float temperature = 0.0;
    char tempStr[10];
    
    while (1)
    {
        // 读取DS18B20温度传感器数据
        temperature = DS18B20_GetTemp();
        
        // 将温度转换为字符串
        sprintf(tempStr, "%.2f C", temperature);
        
        // 清空OLED显示屏
        SSD1306_Clear();
        
        // 在OLED显示屏上显示温度
        SSD1306_GotoXY(0, 0);
        SSD1306_Puts("Temperature:", &Font_7x10, SSD1306_COLOR_WHITE);
        SSD1306_GotoXY(0, 20);
        SSD1306_Puts(tempStr, &Font_11x18, SSD1306_COLOR_WHITE);
        
        // 刷新OLED显示屏
        SSD1306_UpdateScreen();
        
        // 延时一段时间
        delay_ms(1000);
    }
}

代码中，使用了封装好库文件，包括延迟函数(delay.h)、OneWire总线(onewire.h)、DS18B20温度传感器(ds18b20.h)和SSD1306 OLED显示屏(ssd1306.h)的库文件。

在主函数中，初始化延迟函数和OLED显示屏，初始化DS18B20温度传感器。然后进入无限循环，在循环中读取DS18B20温度传感器的温度数据，将温度显示到OLED显示屏上。温度数据通过sprintf函数转换为字符串，使用SSD1306库函数在OLED显示屏上进行显示。通过延时函数延时一段时间，实现温度的定时更新。

4.2 DS18B20的代码

头文件代码：

#ifndef DS18B20_H
#define DS18B20_H

#include "stm32f10x.h"

// DS18B20引脚定义
#define DS18B20_GPIO_PORT   GPIOA
#define DS18B20_GPIO_PIN    GPIO_Pin_0

// DS18B20函数声明
void DS18B20_Init(void);
void DS18B20_WriteByte(uint8_t data);
uint8_t DS18B20_ReadByte(void);
float DS18B20_GetTemp(void);

#endif

源文件代码:

#include "ds18b20.h"
#include "delay.h"

// 初始化DS18B20温度传感器
void DS18B20_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 使能GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置GPIOA引脚为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DS18B20_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 将引脚拉低一段时间
    GPIO_ResetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
    delay_us(500);
    
    // 将引脚拉高一段时间
    GPIO_SetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
    delay_us(80);
    
    // 等待DS18B20的响应
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    delay_us(80);
}

// 向DS18B20写入一个字节的数据
void DS18B20_WriteByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i;
    
    // 将引脚设置为推挽输出
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DS18B20_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 写入数据
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        GPIO_ResetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
        delay_us(2);
        if (data & 0x01)
        {
            GPIO_SetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
        }
        delay_us(60);
        GPIO_SetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
        delay_us(2);
        data >>= 1;
    }
}

// 从DS18B20读取一个字节的数据
uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
    uint8_t i, data = 0;
    
    // 将引脚设置为推挽输出
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DS18B20_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 读取数据
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        GPIO_ResetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
        delay_us(2);
        GPIO_SetBits(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN);
        delay_us(2);
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
        GPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
        delay_us(2);
        data >>= 1;
        if (GPIO_ReadInputDataBit(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN))
        {
            data |= 0x80;
        }
        delay_us(60);
    }
    
    return data;
}

// 获取DS18B20温度数据
float DS18B20_GetTemp(void)
{
    uint8_t tempLSB, tempMSB;
    int16_t tempData;
    float temperature;
    
    // 发送温度转换命令
    DS18B20_WriteByte(0xCC);     // 跳过ROM操作
    DS18B20_WriteByte(0x44);     // 发送温度转换命令
    
    // 等待温度转换完成
    while (!GPIO_ReadInputDataBit(DS18B20_GPIO_PORT, DS18B20_GPIO_PIN));
    
    // 发送读取温度命令
    DS18B20_WriteByte(0xCC);     // 跳过ROM操作
    DS18B20_WriteByte(0xBE);     // 发送读取温度命令
    
    // 读取温度数据
    tempLSB = DS18B20_ReadByte();
    tempMSB = DS18B20_ReadByte();
    
    // 计算温度值
    tempData = (tempMSB << 8) | tempLSB;
    if (tempData & 0x8000)      // 温度为负数
    {
        tempData = ~tempData + 1;
        temperature = -((float)tempData / 16.0);
    }
    else                        // 温度为正数
    {
        temperature = (float)tempData / 16.0;
    }
    
    return temperature;
}

4.3 OLED显示屏代码

头文件：

#ifndef SSD1306_H
#define SSD1306_H

#include "stm32f10x.h"
#include "fonts.h"

// SSD1306显示屏参数定义
#define SSD1306_I2C_ADDR      0x78    // I2C地址
#define SSD1306_WIDTH         128     // 显示屏宽度
#define SSD1306_HEIGHT        64      // 显示屏高度

// SSD1306函数声明
void SSD1306_Init(void);
void SSD1306_Clear(void);
void SSD1306_UpdateScreen(void);
void SSD1306_GotoXY(uint16_t x, uint16_t y);
void SSD1306_Puts(const char* str, FontDef_t* font, uint8_t color);

#endif

源文件：

#include "ssd1306.h"
#include "i2c.h"

static uint8_t SSD1306_Buffer[SSD1306_WIDTH * SSD1306_HEIGHT / 8];

void SSD1306_Init(void)
{
    // 初始化I2C总线
    I2C_Init();
    
    // 向SSD1306发送初始化命令
    uint8_t initCommands[] = {
        0xAE,           // 关闭显示
        0xD5, 0x80,     // 设置时钟分频因子
        0xA8, 0x3F,     // 设置驱动路数
        0xD3, 0x00,     // 设置显示偏移
        0x40,           // 设置显示开始行
        0x8D, 0x14,     // 设置电荷泵
        0x20, 0x00,     // 设置内存地址模式
        0xA1,           // 设置段重定义
        0xC8,           // 设置COM扫描方向
        0xDA, 0x12,     // 设置COM引脚配置
        0x81, 0xCF,     // 设置对比度控制
        0xD9, 0xF1,     // 设置预充电周期
        0xDB, 0x40,     // 设置VCOMH电压倍率
        0xA4,           // 全局显示开启
        0xA6,           // 设置显示方式
        0xAF            // 开启显示
    };
    
    for (uint8_t i = 0; i < sizeof(initCommands); i++)
    {
        I2C_WriteByte(SSD1306_I2C_ADDR, 0x00, initCommands[i]);
    }
    
    // 清空缓冲区
    SSD1306_Clear();
    
    // 更新显示屏
    SSD1306_UpdateScreen();
}

void SSD1306_Clear(void)
{
    memset(SSD1306_Buffer, 0x00, sizeof(SSD1306_Buffer));
}

void SSD1306_UpdateScreen(void)
{
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        I2C_WriteBuffer(SSD1306_I2C_ADDR, 0x40, &SSD1306_Buffer[SSD1306_WIDTH * i], SSD1306_WIDTH);
    }
}

void SSD1306_GotoXY(uint16_t x, uint16_t y)
{
    if (x >= SSD1306_WIDTH || y >= SSD1306_HEIGHT)
        return;
    
    SSD1306_Buffer[(x + (y / 8) * SSD1306_WIDTH)] |= (1 << (y % 8));
}

void SSD1306_Puts(const char* str, FontDef_t* font, uint8_t color)
{
    while (*str)
    {
        for (uint8_t i = 0; i < font->FontWidth; i++)
        {
            uint8_t temp = font->data[(*str - 32) * font->FontWidth + i];
            for (uint8_t j = 0; j < font->FontHeight; j++)
            {
                if (temp & (1 << j))
                {
                    SSD1306_GotoXY(font->FontWidth * i + j, font->FontHeight * i + j);
                    SSD1306_Buffer[(font->FontWidth * i + j + (font->FontHeight * i + j) / 8 * SSD1306_WIDTH)] |= (1 << ((font->FontHeight * i + j) % 8));
                }
                else
                {
                    SSD1306_GotoXY(font->FontWidth * i + j, font->FontHeight * i + j);
                    SSD1306_Buffer[(font->FontWidth * i + j + (font->FontHeight * i + j) / 8 * SSD1306_WIDTH)] &= ~(1 << ((font->FontHeight * i + j) % 8));
                }
            }
        }
        
        str++;
    }
}

五、总结

本项目设计了基于STM32的花卉温室控温系统，通过使用DS18B20温度传感器、OLED显示屏和继电器等硬件模块，实现了对温室内温度的监测和控制。该系统能够根据预设的温度阀值，自动控制热风机的加热，以维持温室内的适宜温度，从而保证花卉的生长环境。

在软件逻辑设计方面，采用了STM32的外设和中断机制，结合合适的算法和状态判断，实现了温度数据的获取和比较，并根据结果控制继电器的开关。通过OLED显示屏和USART串口，能够及时地将温度值和阀值反馈给用户，方便用户了解当前环境并进行调节。

本项目的设计和实现为温室控温系统提供了一个具体的解决方案，通过合理的硬件选型和软件逻辑设计，能够满足花卉种植对温度控制的需求。在未来的发展中，系统将在农业领域发挥重要作用，并为人们创造更舒适、高效的温控环境。