基于单片机的列车车厢环境实时监测控制系统

引 言

随着我国经济的发展，铁路旅客运输量逐年增加。但由于旅客列车运行距离远、人员密集、环境相对封闭等特点，导致车厢内空气流动性差，空气质量难以保证。对于长时间乘坐的旅客而言，舒适度严重下降 [1，2]。

当前主要依靠火车司机控制车载空调的开关、温度等方式改善车厢内空气质量。但这种依靠经验进行控制的方法会导致车厢内温度过高或过低，不仅降低了旅客的出行舒适度， 同时也造成了巨大的能源浪费。基于此种现状，本文设计了一套车厢内温度实时监测控制系统，通过实时监测车厢内的温度，自动调节车载空调的模式，使车厢内的空气质量维持在合适的状态。

1 系统总体方案设计

本系统主要实现的功能是首先利用相应的传感器采集车厢内的温度、湿度、CO2 浓度、光照强度等环境参数，将采集到的数据信号经A/D 转换模块进行转换，然后通过单片机STM32 分析和处理，最后将传感器数据按照一定的时间间隔在显示屏上显示。当检测到信号满足预设要求时，控制电气控制柜打开或关闭车载空调，或者转换空调模式。系统总体框架如图 1 所示[3-5]。

2 系统硬件设计

2.1 传感器选择

2.1.1 温湿度传感器

AM2302（DHT22）数字温湿度模块具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点，因此被广泛应用在自动控制、测试及检测设备等相关温湿度检测控制中。AM2302 包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连。

AM2302 是一款数字信号输出的温湿度复合传感器。其与微处理器之间的通信和同步采用单总线数据格式，即只用一根数据线来完成系统中的数据交换和控制。用户主机发出一次起始信号后，AM2302 从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，AM2302 发送响应信号，从数据总线串行送出 40 bit 数据，发送数据结束触发一次信息采集。采集结束后， 传感器自动转入休眠模式，等待下一次通信来临。AM2302 传感器接口电路原理如图 2 所示。

2.1.2 光照传感器

使用光敏电阻作为光照传感器。光敏电阻的阻值随入射光线的强弱变化而变化。在黑暗条件下， 其阻值可达到1 ～10 MΩ ；而在强光照射下，其阻值仅有几百至数千欧姆。光敏电阻对光的敏感度与人眼对可见光的响应接近，但凡人眼可以感受到的光都会引起其阻值发生变化。光照传感器输出的量为模拟量，因此需要先将信号接入A/D 转换电路进行模数转换。光照传感器接口电路如图 3 所示。

2.2 控制模块

意法半导体（ST）公司设计的 STM32 系列MCU，内嵌Cortext-M3 内核以及丰富的外设，具有低功耗、低电压、高性能等优点，是目前CM3 内核ARM 处理器中数量和影响较大的产品。STM32F103ZET6 芯片具有的片上资源包括 64 kB SRAM，512 kB FLASH，3 个 SPI，3 个 12 位 ADC，1 个 12

位 DAC，8 个定时器，1 个FSMC 接口以及112 个通用I/O 口等。该芯片能够满足多个传感器信息的接收、处理和控制。STM32F103ZET6 芯片实物如图 4 所示。

2.3 LCD显示屏

液晶显示用于实时显示采集的温度、湿度、光照度等车厢内环境参数。本系统选用TFT-LCD模块，使用流程如图5所示。

STM32F103芯片带有 FSMC（灵活的静态存储控制器） 接口，能够与同步或者异步存储器的 16位 PC存储器卡连接， 支持SRAM，NAND FLASH，NORFLASH 和PSRAM等[6]。

在系统设计过程中，可将 TFT-LCD 当作 SRAM 来控制。外部 SRAM 的控制一般包括地址线、数据线、写信号、读信号、片选信号，这些信号与控制 LCD 的信号相似。

3 系统软件设计

系统软件主程序包括系统初始化，LCD 显示屏初始化， 各采集点数据采集、分析和处理[7]。主程序流程如图 6 所示。

3.1 数据采集子程序

数据采集函数包括各传感器的启动、复位和采样频率设置函数，以及采集数据的保存和函数读取。数据采集程序流程如图 7 所示。

3.2 显示屏子程序

显示屏程序包括 LCD 显示函数，LCD 坐标设置函数， LCD 画点函数，LCD 读点函数，LCD 字符显示函数。显示屏程序流程如图 8 所示。

4 试验

将传感器安放在实验室的不同位置，进行样机测试试验。实验测试结果如图 9 所示。

图 9 实验测试结果图

5 结 语

本文详细介绍了一种可应用于列车进行车厢环境检测与控制的系统，并对系统的软硬件做了详细的阐述。实验测试结果表明，系统满足设计要求，能够对列车车厢内的环境进行实时检测与控制，进一步提升了我国铁路列车服务水平。