程 可，郭悦立，王 宁

（黑龙江地震局，黑龙江 哈尔滨150090）

引言

黑龙江省处于我国东北地区的最北端，在一年当中冬季占五～八个月之久，在这五～八个月中平均气温在零下20℃左右，因此造成我省的许多无人值守站点（全省无人值守站点21个，占全省台站比例（2/3）。由于气温过低地震现场设备无法运行或者采集数据不可靠，供电电瓶不能供电等问题，如果要解决这个问题在现有的条件下只能对现场温度进行调节使其达到各种设备正常运行的状态。有些站点在冬天为了解决无人台站的供热问题，采用带温度设定电暖气对室内进行加热的办法。但是由于现场电源功率限制以及室内空间过大，所以这种办法在冬季最寒冷的两个月根本起不到什幺作用；另外，由于电暖气不能实时的调节温度，还容易产生火灾。

鉴于以上原因我们考虑采用对室内设备单独加热的方式来保持设备正常运行，一般台站室内主要由放置仪器的电控柜、拾震记以及安装电瓶的电池箱组成，这些东西也是主要保护的对象。我们在站点内用一种供电加热的热辐射散热板来实现对站点供热，散热板的加热采用我们开发的自动温控系统和远程网页来实现。

为实现以上功能黑龙江省地震局监测中心研制了一台针对我省高寒地区的无人值守站点在冬季设备保温加热的专用自动控制仪器以及开发远程网络监控系统。

主要解决的关键问题：

根据热辐射原理采用温度传感器LM35 测量室内温度，利用ALIENTEK STM32F103 战舰开发板采集、计算处理，然后通过自行设计的接口板继电器的通断输出来控制散热板的加热。

在温度低于0°C 时，自动进行加温，高于上限设定值时，停止加热，让设备始终处于0℃～设定值的外部环境中，提高设备的寿命和采集数据的准确率。解决由于气温过低，地震现场设备无法运行的问题和地震现场设备采集数据不可靠的问题。

1 控制系统的硬件构成以及外围接口电路设计原理

台站智能控制仪由主板（ALIENTEK 战舰STM32开发板）、电源部分、输入输出板、显示板（前面板）、后面板等部分组成。

本设计利用STM32F103MCU 的几个卓越的特性和强大的功能，主要体现为：

STM32 具有便宜的价格优势。以普通单片机机的价格，得到拥有ARM 内核的，可移植多任务32 位机器。

开发板具有丰富的外设功能。STM32F103 极高的集成了包括：FSMC 总线、TIMER 定时器、SPI 总线、IIC 总线、CAN 总线、IIS 总线、SDIO 可配置端口、ADC 转换、DAC 转换、内置RTC、DMA 等众多外设。

处理器提供了优异的实时中断性能。共有84个可编程中断，16 级的可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为外部中断输入。

内核设计杰出的低功耗的控制功能。STM32F103 的总线结构采用的是哈佛体制，各个总线的外设都有自己的独立时钟开关，可以通过关闭相应外设的时钟来降低功耗。

开发下载程序简单方便。程序开发完成后通过MDK编译器编译仿真，只需要通过厂家提供的ST-LINK 或者一个串口即可下载编译通过的代码，同时支持SWD 和JTAG 两种调试口和ST-LINK 连接，只需要占用2个IO口，即可实现仿真调试。

设备的核心主开发板外形尺寸为121mm*160mm 大小，本项目利用了战舰型开发板主要资源如下：

（1）中央处理器（CPU）：STM32F103ZET6，外形封装：LQFP144，闪存（FLASH）为：512K，内部SRAM 为：64K。

（2）外部扩展SRAM 的型号为：IS62WV51216，容量1M 字节。

（3）外围扩展ROM 为闪存（FLASH）采用SPI 总线，型号为：W25Q128，容量为16M 字节。

（4）开发板板载具有1个电源指示灯（蓝色），用来指示电源状态，2个状态指示灯（DS0：红色，DS1：绿色）供调试时使用。

（5）板上含有一个EEPROM 芯片，24C02，容量256字节。

（6） 对外引出一路CAN 总线接口，采用的是TJA1050 芯片。

（7）一个485 总线接口，采用SP3485 芯片。

（8）两路RS232 串口（一公一母）接口，采用SP3232芯片。

（9）一路数字量接口，可以支持DS18B20/DHT11 温度湿度传感器等。

（10）一个ATK 模块接口，支持ALIENTEK 蓝牙/GPS模块/MPU6050 模块等。

（11）包含一个标准的2.4/2.8/3.5 寸LCD 接口（IDC封装），支持触摸屏连接。

（12）一个USB 串口，这个窜口可用于程序下载和代码调试（USMART 调试）。

（13）一个USBSLAVE 通讯接口，用于USB 通信。

（14）一个有源蜂鸣器，调试时使用。

（15）1个RS232/RS485 选择接口，1个RS232/模块选择接口，1个CAN/USB 选择接口和1个串口选择接口。当根据实际情况对不同的应用作出选择调整。

（16）一个SD 卡接口（在板子背面，SDIO 接口），用来存储网页和文件。

（17）一个10M/100M 以太网接口（RJ45），接入内网实时通过网页对设备访问。

（18）板子上带用1个标准的JTAG/SWD 调试下载口，用来下载程序。

（19）具有多功能端口（DAC、ADC、PWMDAC、AUDIO IN）本设计中的温度传感器LM35 应用到其中的AD 转换。

（20）一组5V 和3.3V 电源供应/接入口，通过IO 端口和设备的输入输出板相连接。

对于使用开发板的资源如下：引出IO 端口中的MCU 中STM32F103ZET6 引脚PA0、PA5、PA6 设置为模拟输入，用来作为室内采温的三个通道。引脚PC0、PC1、PC2 设置为推挽输出，用来驱动输入输出板的三个继电器。其中一个继电器控制散热板交流接触器的供电通断，另外两个继电器一个控制保温机柜的加热膜供电的通断，另一个备用。加热板和加热膜供电互锁，当加热板出现故障时使用保温机柜的加热膜供电。三路温度传感器使用温度传感器LM35，用来对室内采温，当采到的温度小于等于0℃时PC0 置0 触发控制加热板的继电器带动交流接触器使加热板供电加热，又当室内温度达到设定值左右PC0 置1 使加热板断电停止加热。

温度采集以及控制加热的外围电路中信号利用公共端口与开发板相连其中主要有四路模拟量输入，三路开关量输出，一个共地信号和一个+3.3V。三端稳压电源7805，7809 作为LM35 的电源，输出信号采用光藕隔离驱动三极管9013 控制三路继电器，在通过继电器触点来触发交流接触器为加热板供电。

2 本地的人机交互以及远程网页控制

设备本地设采用APP 方式进行触摸屏设定以及动态显示现场温度和传感器的通断状态并且具有利用远程网页操作功能和本地操作具有同样作用。系统利用UCOS 多任务操作系统进行人机交互，交互界面采用APP方式需要偏写交互程序。

动态网页与开发板通讯利用CGI，和SSI 技术与网页提交的表单握手对接。现场显示、设置简单、直观：显示屏硬件用彩色4.3 吋屏幕，现场用户交互界面分别采用三个界面交互显示，它包括APP 显示主界面、温度显示界面、温度最大值设定界面。其中显示主界面分别其余两个界面的图标，只要在触摸屏上触摸图标就能进入相应的子界面。

采用网页与现场下位机通过LWIP 协议进行直接通讯，由于意法公司的ARM STM32 系列芯片是32 位机，与控制中心的服务器通讯流畅，及时，比以往8 位单片机效率高出至少1个数量级，网页开发使用DW 开发环境制作了个HTML 网页，这些网页的作用分别为：（1）设备简介网页：在这里主要对主机设备的功能和内部组成进行介绍。（2）温度显示网页：在这个页面里通过表格的内容分别显示内部温度传感器和三个输入通道的实时温度值（每秒刷新一次），还有一个表格显示加热板的实际加热状态。（3）远程控制界面：界面中有个远程控制选择按钮，当点击此按钮后可以通过网页进行远程强制控制设备中输出继电器的通断，从而使加热设备启停。在通讯方面硬件方面我们采用网络接口芯片DM9000，此芯片是搭建STM32F103 与外界网络的桥梁，同时此芯片也是一款轻型以太网控制器，利用RJ45 端口建立通讯联系。同时它是出于高性能低功耗设计的，并且使用轻型的TCP/IP 协议栈LwIP。LWIP 完全符合现有的通讯规范。

用来现场APP 展示的界面有两个：它们分别为显示界面和设定界面，显示界面用来显示各个传感器的实时温度值和继电器的加热状态，设定界面用来设定采温三通道的上限温度值，当实际温度达到设定的温度就停止加热。

显示界面的第一路通道显示芯片内部温度值，第二、三、四路用来显示三个温度传感器LM35 实时温度值。界面的下半部分分别对应三个输出继电器的加热状态，也使用户直观了解输出的实际状态，当目前是加热时使用绿色标志并有文字提示和蜂鸣器的声音，同时加热停止时自动转换为红色标志蜂鸣器停止。

设定界面的上半部分用来本地设定三个通道的上限温度值，当实际温度大于等于设定值时输出继电器断开，加热板停止加热，每个通道的设定值通过屏幕的两个按键的触摸用来增减大小，设定值实时显示，界面的下半部分分别显示采到的温度值的温度曲线。

本地的两个界面可以通过触动每个界面的返回按钮，返回主界面。主界面只是用来显示设定和显示界面两个图标。

3 远程网页与开发板交互的过程

在本产品的开发板和自行制作的网页之间通过CGI（公共网关接口）和SSI（服务器端嵌入）技术进行人机交互。其中网页通过向控制器发送的表单中CGI 的URL 的数量为10个它们分别对应10个中断函数，这些函数主要用来实现定义远程强制加热的开、关以及通过触发网页上的按钮控件对设备继电器进行远程控制。SSI 的TAG 数量为17个，同网页程序HTML 中注释的关键字一一对应，用来远程显示各个通道温度值以及加热状态等。

网页可以远程对设备进行强制控制加热板停止加热，以免当发生紧急情况时及时断电，远程网页真实的显示现场设备的工作状态。

4 小结与问题

小结：为了实现台站冬季控温目的所采用的STM32单片机的多任务管理系统实现了本地与远程监控和操作控制，并且程序在以太网通讯内网运行应用中实时可靠运行。经过测试温度在0°C 以下设备能及时启动加热，达到设定值时能马上停止加热能够使空间温度达到一个合理的区间。

问题：（1）由于加热设备采用散热板热辐射方式加热，传感器采到的温度与室内实际达到温度有延迟，所以温度的显示值有一定偏差。虽然偏差值可以通过程序算法认为调整，但是稍微还是有误差。

（2）现场触摸屏人机交互界面操作是在使用开发板出厂的程序架构基础上修改的，因此操作系统在任务切换时有延时现象，应用过程中难免有迟缓现象，但不影响工作。