引 言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的車廂發(fā)展，鐵路旅客運(yùn)輸量逐年增加。環(huán)境但由于旅客列車運(yùn)行距離遠(yuǎn)、控制人員密集、系統(tǒng)環(huán)境相對(duì)封閉等特點(diǎn)，基于機(jī)的監(jiān)測(cè)導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣流動(dòng)性差，空氣質(zhì)量難以保證。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)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(jī)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(yàn)進(jìn)行控制的方法會(huì)導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低，不僅降低了旅客的出行舒適度， 同時(shí)也造成了巨大的能源浪費(fèi)。基于此種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套車廂內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車廂內(nèi)的溫度，自動(dòng)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(jì)
本系統(tǒng)主要實(shí)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(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)單片機(jī)STM32 分析和處理，最后將傳感器數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間間隔在顯示屏上顯示。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)滿足預(yù)設(shè)要求時(shí)，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(jì)
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(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備等相關(guān)溫濕度檢測(cè)控制中。AM2302 包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連。
AM2302 是一款數(shù)字信號(hào)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(lái)完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制。用戶主機(jī)發(fā)出一次起始信號(hào)后，AM2302 從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，AM2302 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，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(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，等待下一次通信來(lái)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(qiáng)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(qiáng)光照射下，其阻值僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻對(duì)光的敏感度與人眼對(duì)可見光的響應(yīng)接近，但凡人眼可以感受到的光都會(huì)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(hào)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(jì)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(diǎn)，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(gè) SPI，3 個(gè) 12 位 ADC，1 個(gè) 12
位 DAC，8 個(gè)定時(shí)器，1 個(gè)FSMC 接口以及112 個(gè)通用I/O 口等。該芯片能夠滿足多個(gè)傳感器信息的接收、處理和控制。STM32F103ZET6 芯片實(shí)物如圖 4 所示。
2.3 LCD顯示屏
液晶顯示用于實(shí)時(shí)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(chǔ)控制器） 接口，能夠與同步或者異步存儲(chǔ)器的 16位 PC存儲(chǔ)器卡連接， 支持SRAM，NAND FLASH，NORFLASH 和PSRAM等[6]。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將 TFT-LCD 當(dāng)作 SRAM 來(lái)控制。外部 SRAM 的控制一般包括地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號(hào)、讀信號(hào)、片選信號(hào)，這些信號(hào)與控制 LCD 的信號(hào)相似。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(dòng)、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(diǎn)函數(shù)，LCD 讀點(diǎn)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(yàn)
將傳感器安放在實(shí)驗(yàn)室的不同位置，進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖 9 所示。
圖 9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖
5 結(jié) 語(yǔ)
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(cè)與控制的系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件做了詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)α熊囓噹麅?nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，進(jìn)一步提升了我國(guó)鐵路列車服務(wù)水平。
