基于單片機的列車車廂環(huán)境實時監(jiān)測控制系統(tǒng)

引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路旅客運輸量逐年增加。但由于旅客列車運行距離遠(yuǎn)、人員密集、環(huán)境相對封閉等特點，導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣流動性差，空氣質(zhì)量難以保證。對于長時間乘坐的旅客而言，舒適度嚴(yán)重下降 [1，2]。

當(dāng)前主要依靠火車司機控制車載空調(diào)的開關(guān)、溫度等方式改善車廂內(nèi)空氣質(zhì)量。但這種依靠經(jīng)驗進(jìn)行控制的方法會導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度過高或過低，不僅降低了旅客的出行舒適度， 同時也造成了巨大的能源浪費。基于此種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一套車廂內(nèi)溫度實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測車廂內(nèi)的溫度，自動調(diào)節(jié)車載空調(diào)的模式，使車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量維持在合適的狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是首先利用相應(yīng)的傳感器采集車廂內(nèi)的溫度、濕度、CO2 濃度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)信號經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過單片機STM32 分析和處理，最后將傳感器數(shù)據(jù)按照一定的時間間隔在顯示屏上顯示。當(dāng)檢測到信號滿足預(yù)設(shè)要求時，控制電氣控制柜打開或關(guān)閉車載空調(diào)，或者轉(zhuǎn)換空調(diào)模式。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示[3-5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器選擇

2.1.1 溫濕度傳感器

AM2302（DHT22）數(shù)字溫濕度模塊具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在自動控制、測試及檢測設(shè)備等相關(guān)溫濕度檢測控制中。AM2302 包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連。

AM2302 是一款數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。其與微處理器之間的通信和同步采用單總線數(shù)據(jù)格式，即只用一根數(shù)據(jù)線來完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制。用戶主機發(fā)出一次起始信號后，AM2302 從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機開始信號結(jié)束后，AM2302 發(fā)送響應(yīng)信號，從數(shù)據(jù)總線串行送出 40 bit 數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集。采集結(jié)束后， 傳感器自動轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下一次通信來臨。AM2302 傳感器接口電路原理如圖 2 所示。

2.1.2 光照傳感器

使用光敏電阻作為光照傳感器。光敏電阻的阻值隨入射光線的強弱變化而變化。在黑暗條件下， 其阻值可達(dá)到1 ～10 MΩ ；而在強光照射下，其阻值僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻對光的敏感度與人眼對可見光的響應(yīng)接近，但凡人眼可以感受到的光都會引起其阻值發(fā)生變化。光照傳感器輸出的量為模擬量，因此需要先將信號接入A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。光照傳感器接口電路如圖 3 所示。

2.2 控制模塊

意法半導(dǎo)體（ST）公司設(shè)計的 STM32 系列MCU，內(nèi)嵌Cortext-M3 內(nèi)核以及豐富的外設(shè)，具有低功耗、低電壓、高性能等優(yōu)點，是目前CM3 內(nèi)核ARM 處理器中數(shù)量和影響較大的產(chǎn)品。STM32F103ZET6 芯片具有的片上資源包括 64 kB SRAM，512 kB FLASH，3 個 SPI，3 個 12 位 ADC，1 個 12

位 DAC，8 個定時器，1 個FSMC 接口以及112 個通用I/O 口等。該芯片能夠滿足多個傳感器信息的接收、處理和控制。STM32F103ZET6 芯片實物如圖 4 所示。

2.3 LCD顯示屏

液晶顯示用于實時顯示采集的溫度、濕度、光照度等車廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)選用TFT-LCD模塊，使用流程如圖5所示。

STM32F103芯片帶有 FSMC（靈活的靜態(tài)存儲控制器） 接口，能夠與同步或者異步存儲器的 16位 PC存儲器卡連接， 支持SRAM，NAND FLASH，NORFLASH 和PSRAM等[6]。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，可將 TFT-LCD 當(dāng)作 SRAM 來控制。外部 SRAM 的控制一般包括地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號、讀信號、片選信號，這些信號與控制 LCD 的信號相似。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主程序包括系統(tǒng)初始化，LCD 顯示屏初始化， 各采集點數(shù)據(jù)采集、分析和處理[7]。主程序流程如圖 6 所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集函數(shù)包括各傳感器的啟動、復(fù)位和采樣頻率設(shè)置函數(shù)，以及采集數(shù)據(jù)的保存和函數(shù)讀取。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖 7 所示。

3.2 顯示屏子程序

顯示屏程序包括 LCD 顯示函數(shù)，LCD 坐標(biāo)設(shè)置函數(shù)， LCD 畫點函數(shù)，LCD 讀點函數(shù)，LCD 字符顯示函數(shù)。顯示屏程序流程如圖 8 所示。

4 試驗

將傳感器安放在實驗室的不同位置，進(jìn)行樣機測試試驗。實驗測試結(jié)果如圖 9 所示。

圖 9 實驗測試結(jié)果圖

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了一種可應(yīng)用于列車進(jìn)行車廂環(huán)境檢測與控制的系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的軟硬件做了詳細(xì)的闡述。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，能夠?qū)α熊囓噹麅?nèi)的環(huán)境進(jìn)行實時檢測與控制，進(jìn)一步提升了我國鐵路列車服務(wù)水平。