基于瑞薩單片機(jī)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

今日跟大家分享下瑞薩RA創(chuàng)意氛圍賽選手的項(xiàng)目——基于瑞薩單片機(jī)的環(huán)境溫濕度監(jiān)測裝置。

本項(xiàng)目由啟明6M5作為主控，搭載DHT11溫濕度傳感器和SPI屏幕而成，實(shí)現(xiàn)的功能如下：

①通過DHT11溫濕度模塊采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)
②通過軟件SPI實(shí)現(xiàn)SPI屏幕顯示溫濕度數(shù)據(jù)
③通過上位機(jī)顯示溫濕度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)換算成圖像顯示

1設(shè)計(jì)簡介

最開始的設(shè)計(jì)是準(zhǔn)備使用DHT11溫濕度模塊、MQ-2煙霧模塊、人體紅外做數(shù)據(jù)采集，使用板載ESP8266做WiFi數(shù)據(jù)傳輸，通過HTTP或者M(jìn)QTT協(xié)議連接OneNET平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)運(yùn)行RTOS操作系統(tǒng)。但由于本人忙于工作，無法按時(shí)制作，于是制作了簡易版本，本次設(shè)計(jì)選擇使用野火啟明6M5單片機(jī)，采集模塊使用的是DHT11溫濕度模塊，顯示模塊使用的是SPI屏幕，同時(shí)還做了串口通訊。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控板

本次使用的是瑞薩的R7FA6M5BH3CFC單片機(jī)。RA 產(chǎn)品家族單片機(jī) (MCU) 于2019年10月推出，豐富了瑞薩的32位MCU 系列產(chǎn)品。除了RA系列之外的32位MCU產(chǎn)品還有RX系列（CPU使用瑞薩自家RX 內(nèi)核）和Renesas Synergy平臺(tái)MCU。Renesas Advanced (RA) 32位MCU是采用Arm Cortex-M33、-M23和-M4處理器內(nèi)核，并經(jīng)過PSA Certified 1級(jí)認(rèn)證的、行業(yè)領(lǐng)先的32位MCU。是Arm公司于2017年推出的行業(yè)通用框架，旨在打造各種安全的互聯(lián)設(shè)備。許多業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)已宣布支持該架構(gòu)的基礎(chǔ)原則，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和解決方案加入令人信任的安全級(jí)別。RA系列的所有MCU在功能上和大部分引腳上都是兼容的。小型器件上的外設(shè)大體上是大型器件上外設(shè)的子集。這便于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和不同器件之間的代碼重用。對(duì)于不同系列的類似封裝，其引腳排列幾乎相同。

瑞薩RA系列產(chǎn)品家族包括：

? RA2系列，適用于低功耗應(yīng)用；
? RA4系列，適用于需要低功耗、高性能和高安全性的設(shè)備；
? RA6系列，具有卓越的連接性能和安全性能；
? RA8系列，可以為采用人機(jī)界面、連接、安全和模擬功能的應(yīng)用提供出色性能。

2.2 DHT11溫濕度采集模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。

超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為3針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。

模塊使用單總線連接，DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。通訊過程如圖所示：

? 引腳連接為：
P0.10——DATA
Mode選擇Output mode (Initial Low)

2.3 SPI屏幕

屏幕使用了軟件SPI，SPI協(xié)議是由摩托羅拉公司提出的通訊協(xié)議（SerialPeripheralInterface），即串行外圍設(shè)備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設(shè)備與MCU間，要求通訊速率較高的場合。

SPI通訊使用3條總線及片選線，3條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線為SS，它們的作用介紹如下：

(1) SS (SlaveSelect)：從設(shè)備選擇信號(hào)線，常稱為片選信號(hào)線，也稱為NSS、CS，以下用NSS表示。

當(dāng)有多個(gè)SPI從設(shè)備與SPI主機(jī)相連時(shí)，設(shè)備的其它信號(hào)線SCK、MOSI及MISO同時(shí)并聯(lián)到相同的SPI總線上，即無論有多少個(gè)從設(shè)備，都共同只使用這3條總線；而每個(gè)從設(shè)備都有獨(dú)立的這一條NSS信號(hào)線，本信號(hào)線獨(dú)占主機(jī)的一個(gè)引腳，即有多少個(gè)從設(shè)備，就有多少條片選信號(hào)線。I2C協(xié)議中通過設(shè)備地址來尋址、選中總線上的某個(gè)設(shè)備并與其進(jìn)行通訊；而SPI協(xié)議中沒有設(shè)備地址，它使用NSS信號(hào)線來尋址，當(dāng)主機(jī)要選擇從設(shè)備時(shí)，把該從設(shè)備的NSS信號(hào)線設(shè)置為低電平，該從設(shè)備即被選中，即片選有效，接著主機(jī)開始與被選中的從設(shè)備進(jìn)行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線置低電平為開始信號(hào)，以NSS線被拉高作為結(jié)束信號(hào)。 (2) SCK (SerialClock)：時(shí)鐘信號(hào)線，用于通訊數(shù)據(jù)同步。它由通訊主機(jī)產(chǎn)生，決定了通訊的速率，不同的設(shè)備支持的最高時(shí)鐘頻率不一樣，如RA6M5的SPI時(shí)鐘頻率最大為fpclkA/2，兩個(gè)設(shè)備之間通訊時(shí)，通訊速率受限于低速設(shè)備。 (3) MOSI (MasterOutput，SlaveInput)：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號(hào)線輸出，從機(jī)由這條信號(hào)線讀入主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī)。

(4) MISO (MasterInput,，SlaveOutput)：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。主機(jī)從這條信線讀入數(shù)據(jù)，從機(jī)的數(shù)據(jù)由這條信號(hào)線輸出到主機(jī)，即在這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)閺臋C(jī)到主機(jī)。

引腳連接為：
P0.2——MOSI
P0.1——CLK
P0.7——CS
P0.6——DC
P0.3——RST
P0.8——BL

使用的是軟件SPI，所以引腳配置Mode選擇Output mode(Initial High)

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軟件設(shè)計(jì)

需要注意一下串口的配置，串口通訊 (Serial Communication) 是一種設(shè)備間非常常用的串行通訊方式，因?yàn)樗唵伪憬?，因此大部?a target="_blank">電子設(shè)備都支持該通訊方式，電子工程師在調(diào)試設(shè)備時(shí)也經(jīng)常使用該通訊方式輸出調(diào)試信息。在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，大部分復(fù)雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分為內(nèi)核層和片上外設(shè)。對(duì)于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。

串口配置如下圖所示，需要注意，引腳一定是P511/ P512，引腳選錯(cuò)是無法監(jiān)測到輸出的。

在“屬性”窗口中配置名字（name）、通道（Channel）、回調(diào)函數(shù)（Callback）名字即可，引腳（Pins）、波特率（Baud Rate）等其他的屬性按照默認(rèn)的配置即可。

Name：名字，根據(jù)讀者需求設(shè)置即可。

Channel ：通道，根據(jù) SCI 號(hào)設(shè)置即可，例如實(shí)驗(yàn)使用 SCI4，則這里配置為通道 4。

Data Bits：每個(gè)字（word）的比特（bit）數(shù)，默認(rèn)為 8bits

Parity ：校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可選擇“Odd”奇校驗(yàn)，“Even”偶校驗(yàn)或“None”無校驗(yàn)。

Stop Bits：停止位，可選 1 或 2bit。

Baud Rate ：波特率

Baud Rate Modulation ：波特率調(diào)制，通過調(diào)整時(shí)鐘周期，以減少申請(qǐng)波特率與實(shí)際波特率之間的誤差。

Max Error(%) ：計(jì)算波特率時(shí)允許的最大百分比誤差。

Callback：回調(diào)函數(shù)的名字，根據(jù)讀者需求設(shè)置即可。

Receive Interrupt Priority ：接收中斷優(yōu)先級(jí)

Transmit Data Empty InterruptPriority：發(fā)送數(shù)據(jù)空中斷優(yōu)先級(jí)

Transmit End Interrupt Priority：發(fā)送完成中斷優(yōu)先級(jí)

Error Interrupt Priority：錯(cuò)誤中斷優(yōu)先級(jí)

使用 printf 函數(shù)時(shí)，需要使用到堆，默認(rèn)情況下堆的大小為 0，因此我們需要修改堆的大小?？梢栽?FSP 配置界面中的“BSP”屬性欄的“RA Common”中通過修改“Heap size”來設(shè)置堆區(qū)大小。這里需要設(shè)置為 8 的整數(shù)倍，推薦至少為 4K（0x1000）

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效果展示

上位機(jī)效果：

實(shí)物效果：

審核編輯：湯梓紅