基于STM32的多路數(shù)字式溫度采集系統(tǒng)

1、湖北民族學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）多路數(shù)字式溫度監(jiān)測系統(tǒng)學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 031041226 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 孫玲姣 評閱教師： 論文答辯日期 答辯委員會主席 摘 要本設(shè)計是一個以微控制器、溫度傳感器、按鍵及TFT顯示屏等為框架的數(shù)字式溫度測量系統(tǒng)。設(shè)計采用了STM32F103ZE芯片為主控制器，通過單總線制溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度采集，將溫度信息通過STM32F103ZE微控制器處理后在TFTLCD模塊中顯示，以實現(xiàn)多點的溫度監(jiān)測。本設(shè)計一共使用了四個DS18B20，也就是說本系統(tǒng)可以同時采樣四個地點的溫度值。待溫度傳感器的溫度值采回來后

2、，將所有的溫度值顯示在液晶屏上面。在顯示功能上，使用折線圖顯示，使顯示更直觀、更強大。當(dāng)然系統(tǒng)其他的功能也有顯示，比如報警溫度將會實時顯示，其通過外圍按鍵來調(diào)整極限溫度。本設(shè)計也將部分顯示相關(guān)的功能性按鍵加到TFTLCD上，減少外圍電路，也增加了人機交互，使系統(tǒng)更加人性化、智能化。本設(shè)計功能齊全，在溫度檢測上面面聚到。關(guān)鍵詞：微控制器，TFTLCD，DS18B20，溫度監(jiān)測AbstractThis design is to a micro controller, temperature sensor, buttons and TFT screen for the framework of di

3、gital temperature measuring system.STM32F103ZE chips as the main controller is adopted, through the single bus temperature sensor DS18B20 temperature acquisition, temperature information through STM32F103ZE micro controller shown in TFTLCD module after processing, in order to realize the multi-point

4、 temperature monitoring. This design uses the altogether four DS18B20, that is to say, this system can sampling temperature of four locations at the same time.With temperature sensor temperature after you come back, all the temperature display on the LCD panel.On the display function, using the line

5、 chart shows that make the show more intuitive, more powerful.The function of the system, of course, other also have display, such as alarm temperature will real-time display, through the peripheral buttons to adjust the limit temperature.This design will also be part of a display related functional

6、 keys on TFTLCD, reduce the peripheral circuit, also increased the human-computer interaction, make the system more humane, intelligent.The design of the function is all ready, at the top surface temperature detection.Keywords: microcontroller,TFTLCD,DS18B20, the temperature measurement目 錄摘 要IAbstra

7、ctII1 緒言1.1 課題背景11.2 國內(nèi)外概況11.3 課題研究的目的和意義21.4 課題的主要研究工作32 系統(tǒng)設(shè)計方案的研究2.1 方案選擇42.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計72.3 系統(tǒng)功能介紹83 硬件電路設(shè)計3.1 硬件元件介紹93.1.1 STM32F103ZE 介紹93.1.2 DS18B20介紹123.1.3 TFTLCD介紹153.1.4 FSMC介紹173.2 硬件電路詳細設(shè)計183.2.1 溫度采集模塊設(shè)計183.2.2 顯示模塊設(shè)計193.2.3 按鍵模塊設(shè)計203.2.4 報警模塊設(shè)計203.2.5 系統(tǒng)總體電路圖224 軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖234.2 溫度采集

8、處理子程序244.3 顯示子程序介紹244.4 按鍵子程序介紹255 系統(tǒng)調(diào)試及分析5.1 調(diào)試結(jié)果及分析276 總 結(jié)30致 謝31參考文獻32III1 緒言 本章闡述了溫度測量的研究背景、當(dāng)前現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，明確指出了現(xiàn)今溫度測量所面臨的問題。1.1 課題背景 現(xiàn)在人們的生活水平不斷提高，物質(zhì)文化水平日益提高，先進的高科技技術(shù)越來越凸顯出其優(yōu)勢，博得人美的喜愛。高科技的應(yīng)用也是越來越多，滲透于各行各業(yè)，滲透到人們的生活當(dāng)中。人們對蘋果手機的喜愛，可以說到了瘋狂的地步。因為蘋果手機的高科技硬件與高效人性化的軟件設(shè)計，使整個系統(tǒng)流暢、完美，大部分中青年都為之癡狂?？萍几?，新產(chǎn)品大量更新?lián)Q代

9、，大量新產(chǎn)品涌現(xiàn)市場，老化產(chǎn)品不停地被淘汰。單片機的應(yīng)用也越來越廣泛，它帶給我們的方便也越來越大1。隨處可見的電子產(chǎn)品，比如路由器、交換機；電氣產(chǎn)品，比如洗衣機、空調(diào)、電冰箱；這些在生活中經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)備，其主要就是使用單片機的控制。單片機以其廉價、小體積、程序簡單的特點，出現(xiàn)在各大小的產(chǎn)品上面。近些年，市場上的電子產(chǎn)品越來越多，大到大型設(shè)備，小到電動玩具，都使用了單片機控制。單片機的控制加入，既增加了產(chǎn)品的智能化，簡化電路，又能降低生產(chǎn)成本，所以單片機的流行是必然。在溫度監(jiān)控方面，近年也開始使用單片機控制，使用小型化、智能化、人性化的移動便攜設(shè)備?，F(xiàn)今的溫室大棚，恒溫箱，空調(diào)等很多設(shè)備都是靠控

10、制溫度來達到我們想要的效果的。所以基于單片機的溫度測量系統(tǒng)就更加具有它的研究意義。單片機在如今的地位堪稱舉足輕重，沒有了單片機，那我們現(xiàn)代的社會將會成為原始社會。1.2 國內(nèi)外概況社會在進步，科技在更新，技術(shù)也越來越發(fā)達。部分發(fā)達國家的科技也是領(lǐng)先于國內(nèi)的。在美、日兩個科技強國更是有了突出的展現(xiàn)。在倉庫管理上，國外早就使用了多路、多點數(shù)字式溫度采集，當(dāng)然在性能上也是精度與穩(wěn)定相結(jié)合的2。國外很早就已經(jīng)實現(xiàn)多點多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其采用計算機的高速、多功能的優(yōu)點，將環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)搭建起來2,3?；谟嬎銠C的多點監(jiān)控系統(tǒng)，其具有電腦的多元化、多功能、計算速度快、實時顯示、信息全、功能齊的特點。但是因為

11、有計算機的加入，大大增加了已有的投入成本，使系統(tǒng)的普及得到限制。可是隨著MCU（Micro Controller Unit，即微控制器）技術(shù)的流行，MCU控制系統(tǒng)開始占據(jù)市場，大量的淘汰掉以前的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。MCU控制以其低成本、小體積、高速的特點，迅速滲透各行業(yè)，將原有的計算機控制系統(tǒng)替換掉。環(huán)境監(jiān)控方面，MCU也因為其小體積、低成本的優(yōu)點，可以完全滿足其系統(tǒng)的需求，而將原來的計算機系統(tǒng)替換下來4,5。在國內(nèi)，環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)上，已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)。在MCU控制系統(tǒng)推進潮流下，國內(nèi)也趕著這更新?lián)Q代的時機，設(shè)計研發(fā)了一些環(huán)境溫度的監(jiān)控系統(tǒng)4。但是與其他科技強國的對比之下，國內(nèi)自主

12、研發(fā)的的系統(tǒng)，在功能、智能、性能方面都還是稍遜顏色。但是國內(nèi)近幾年在高速的MCU控制上，有了進一步的突破，在高速的控制系統(tǒng)的研發(fā)的突破下，似乎也有趕超國外的勢頭。1.3 課題研究的目的和意義研究目的:溫度測量在我們的生活當(dāng)中隨處可見，在各個種類的企業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。在日益更新的現(xiàn)代化技術(shù)當(dāng)中，溫度的測量普遍應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中，最為典型的是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)上，在民用上也是相當(dāng)?shù)钠毡榈?，生活中是隨處可見?，F(xiàn)代流行的溫度測量中最為常見的兩種方式分別是：模擬測量與數(shù)字式測量。模擬測量的穩(wěn)定性，受到系統(tǒng)的所處環(huán)境干擾或者系統(tǒng)本身的穩(wěn)定度的影響。數(shù)字式的溫度測量是較穩(wěn)定的，相對而言，比模擬溫度測量的穩(wěn)定性要

13、好。所以現(xiàn)代溫度測量中，采用的數(shù)字式溫度測量較為普遍。對數(shù)字式的測量系統(tǒng)進行研究，有利于溫度測量的普及與實用6。而本系統(tǒng)加入了新型的STM32單片機，將系統(tǒng)小型化、快速化、人性化、智能化。人們?yōu)榱烁纳粕瞽h(huán)境或者對其他環(huán)境進行監(jiān)視，無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開始流行。對環(huán)境的無線監(jiān)控，可以方便管理者對環(huán)境的了解，也方便管理者對其的管理。對環(huán)境溫度的監(jiān)測研究，可以給環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)提供支持。研究意義：溫度的意義當(dāng)然是不言而喻的，對溫度的引用也是越來越廣泛，合理使用溫度測量，可以提高系統(tǒng)的有機協(xié)調(diào)性。基于現(xiàn)在發(fā)展的各種問題，多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)正朝著以下幾個方向發(fā)展：（1）系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)實時監(jiān)測，而且在軟件技術(shù)上應(yīng)

14、研究開發(fā)根據(jù)被監(jiān)測環(huán)境地點的參數(shù)進行有效的判別、分析和提出專家決策方案,同時系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)7。（2）針對測量的溫度超限的問題，根據(jù)報警裝置能夠盡快發(fā)現(xiàn)地方并尋找一種解決報警的途徑，這對促進溫度監(jiān)控技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用均具有十分重要的意義8。（3）研制高性能的溫度傳感器。（4）進一步加強現(xiàn)場管理和維護水平。對溫度監(jiān)控系統(tǒng)的建立，可以幫助環(huán)境監(jiān)控大系統(tǒng)的完成。近幾年，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成為研究的熱點，但其多是基于理論的研究，在實際應(yīng)用上，還是與國外存在明顯的差距。溫度監(jiān)控是環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)溫度監(jiān)控可以發(fā)現(xiàn)整個環(huán)境監(jiān)控上出現(xiàn)的問題，設(shè)計環(huán)境監(jiān)控時，也

15、可以借鑒溫度監(jiān)控的方案。1.4 課題的主要研究工作單片機是一種類似于電腦CPU的器件，相對于電腦來說，它更加小巧方便，不需要更多的外圍電路就可以應(yīng)用在很多地方。在21世紀(jì)，單片機的應(yīng)用十分廣泛，不論是在工業(yè)控制或者產(chǎn)品系統(tǒng)監(jiān)視控制方面，單片機都以它簡約獨特的優(yōu)點展示出他的實用性。本次設(shè)計就是用單片機來控制溫度采集的，在這個設(shè)計中，我主要的研究工作是以下幾點：（1）怎樣提高溫度測量的精度；（2）怎樣擴寬溫度測量的范圍；（3） 怎樣提高溫度采集的穩(wěn)定性；（4） 怎樣提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。就以上四個問題的解決方法，主要是正確選擇溫度傳感器，因此我采用了DS18B20溫度傳感器來完成此次設(shè)計。多路溫度

16、采集系統(tǒng)是利用溫度傳感器DS18B20來達到檢測溫度的目的，并由單片機處理顯示。本設(shè)計利用STM32單片機為微處理器，再加上基本的外圍電路來完成，再通過實物連接與驅(qū)動程序一起調(diào)試，系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作。正確外圍電路的設(shè)計，可以增加整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也就是說，系統(tǒng)在不同的環(huán)境下，不容易受到外界的干擾。其實在軟件設(shè)計上，更是尤為重要，一個系統(tǒng)是否能夠有機的結(jié)合，發(fā)揮電路各自的優(yōu)勢，主要在于程序上的優(yōu)化。一個優(yōu)化的程序可以使整個系統(tǒng)，如行云流水般的在硬件上運行；而一個不靈活的程序，也可以讓一個設(shè)計完美的電路如死水一樣，沒有生機。硬件與軟件的結(jié)合，能讓整個系統(tǒng)的性能提升，甚至超過我們的預(yù)期目標(biāo)，超標(biāo)實現(xiàn)設(shè)

17、計。2 系統(tǒng)設(shè)計方案的研究2.1 方案選擇、 本設(shè)計硬件主要包括五個模塊：1） 主控模塊方案一：采用51單片機。51單片機是Atmel公司生產(chǎn)的8位8031指令系統(tǒng)微控制器，IO口無需寄存器設(shè)置即可雙向通信，芯片內(nèi)部外設(shè)較少，網(wǎng)絡(luò)上資料齊全，程序簡單易懂，外圍電路簡單，成本低，最高時鐘頻率為24MHz，程序運行速度慢，并且穩(wěn)定性不高，容易受到各種干擾。方案一：AVR單片機AVR單片機也是Atmel公司生產(chǎn)的8/16位精簡指令微控制器，網(wǎng)絡(luò)上資料比較齊全，程序比較復(fù)雜，但是其最高時鐘頻率為32MHz，程序運行速度比51單片機快，穩(wěn)定性高，不容易受到各種干擾。 方案三：采用STM32F103ZET

18、6的MCU(微控制器)。STM32F103ZET6單片機是ST(意法半導(dǎo)體)生產(chǎn)的，基于ARM內(nèi)核的32位 RISC指令微控制器。網(wǎng)絡(luò)上資料較齊全，程序簡單易懂，但是其最高時鐘頻率為72MHz，程序運行速度快，功耗低，并且穩(wěn)定性高，不容易受到各種干擾，不過增強型的STM32單片機的成本較高，略低于高性能的AVR單片機。STM32F103ZET6屬于STM32單片機系列增強型，其內(nèi)部外設(shè)多，應(yīng)用起來方便9。STM32單片機的每一I/O口都可以設(shè)置為中斷輸入口，按鍵輸入就不在需要外加電路，不管接在哪個口上，其都可以設(shè)置為中斷輸入，不再需要電路上接與邏輯門或者作出其他改變，可以簡化硬件電路的設(shè)計?？?/p>

19、慮系統(tǒng)溫度采集口的數(shù)量上的可增加性，即在增加數(shù)個或者數(shù)十個傳感器的情況下，系統(tǒng)還能夠正常的運行，系統(tǒng)就必須使用超高速的控制器。在高速高性能的控制器上加入，能使整個系統(tǒng)的性能受到影響，低速的控制器可能是系統(tǒng)出現(xiàn)死機、采集周期過長等不良現(xiàn)象。所以綜合考慮個方面的原因，本設(shè)計最終選擇STM32F103ZET6微控制器來作為主控制器。2）溫度采集模塊方案一：采用PT100鉑電阻溫度傳感器此傳感器屬于電阻式傳感器，它的電阻隨著溫度的變化而變化。這種溫度傳感器有零度電阻值和電阻變化率，它性能比較穩(wěn)定，測量范圍達到-20085010，但是使用它要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，要清楚的知道電阻和溫度之間的關(guān)系。其采集電路主

20、要采用的是電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計上，由于定值電阻隨著測量環(huán)境溫度變化時，其阻值會有所變化，這就會給系統(tǒng)帶來誤差，使系統(tǒng)采集的溫度值產(chǎn)生偏差，并且其電壓值要進行AD轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。PT100自身體積較大，溫度變化時，反應(yīng)速度會優(yōu)先減慢，如果環(huán)境變化溫度較快時，將會有部分的中間溫度會被直接過濾掉，使實時溫度信息不準(zhǔn)，實時性較差。方案二：采用AD590AD590是現(xiàn)在溫度測量較為常見的溫度傳感器，測量精度高、溫度范圍寬，但是成本很高，一般的廉價應(yīng)用上不會使用。AD590是電流型溫度傳感器，在檢測溫度變化時，其兩端的輸出電流會有相應(yīng)的改變。應(yīng)用方法，一般是采用在輸出端接一個定值

21、電阻(當(dāng)然這也要溫漂較低的電阻)，在測量電阻兩端的電壓（電壓值=AD590輸出電流定值電阻阻值），這與PT100的測量方式相同，使用AD轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)然AD590的體積也稍大，也會有高速溫度變化時產(chǎn)生出濾波效果，實時性降低。方案三：采用DS18B20DS18B20是數(shù)字式的溫度傳感器，測量的溫度范圍較廣，精度高，成本低，穩(wěn)定性較好11。DS18B20采用單總線通信，減少了I/O的占用數(shù)量，減少了外圍電路，通信簡單11,12。DS18B20的集成度高，體積較小12。因為其體積小，可以測量到的溫度值變化快，實時性就好?？紤]到電路的復(fù)雜程度與系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的速度與性能，我選擇方案三：

22、DS18B20溫度傳感器。在溫度采集系統(tǒng)中我們經(jīng)常用到集成型溫度傳感器，集成型傳感器可以達到較高的精度，DS18B20就屬于這一類傳感器。本設(shè)計用四只DS18B20同時采集4路溫度，直接與單片機I/O連接，不需要任何外圍電路。3）顯示模塊方案一：采用LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管是在一定形狀的絕緣材料上，利用單只led組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點亮相應(yīng)的點劃來顯示出0-9的數(shù)字13。LED數(shù)碼顯示有動態(tài)掃描法和靜態(tài)顯示法，在單片機中，多采用動態(tài)掃描法，這樣可以節(jié)約單片機的資源。數(shù)碼管是簡單的顯示設(shè)備，只能顯示阿拉伯?dāng)?shù)字與幾個字母，在簡單的裝置或者不需要顯示大量信息的設(shè)備上面適

23、用，顯示的信息量極少，但是成本很低，驅(qū)動簡單，功耗低。方案二：采用12864液晶屏12864液晶屏分辨率較低，內(nèi)置8192個1616點陣，冷光顯示，效果不佳，可視廣角小，顯示指令較少，能顯示小量的信息，驅(qū)動比數(shù)碼管難，成本較低。在較低廉的系統(tǒng)應(yīng)用上較多，因為其簡單廉價，是不可替代的。方案二：采用TFT-LCD顯示屏采用TFT-LCD顯示屏，TFT的顯示采用“背透視”的照射方式，使其顯示效果非常出色。3.35V寬電壓范圍供電，可以顯示16位真彩色，并且可以分屏顯示。液晶顯示具有低電壓、微功耗、易彩色化等特點.顯示器采用每次掃描一條線的驅(qū)動方式，所以其驅(qū)動方法簡單可用14,15。TFT-LCD液晶

24、屏的分辨率較高，可顯示彩色圖片，顯示的信息量大，可視角廣，成本較高，驅(qū)動較難，但所有的TFT公司都會講大部分的驅(qū)動程序給用戶，只要了解基本的控制器程序，對TFT的操作也是相當(dāng)?shù)暮唵??？紤]到本設(shè)計顯示的信息量較大，系統(tǒng)實時性顯示功能，放棄掉方LED顯示。12864液晶顯示，驅(qū)動方式較為復(fù)雜，顯示效果較差，如果要實時顯示折線圖，那就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。所以最終選擇方案三。4）鍵盤控制模塊方案一：采用獨立式按鍵獨立式按鍵中每只按鍵需接單片機的一條I/O線，較浪費單片機的I/O口，通過對線的查詢，即可識別各按鍵的狀態(tài)。一般多用于按鍵數(shù)目少的時候。方案二：采用矩陣式鍵盤矩陣式按鍵主要利用橫向通信號列向

25、查詢（或者列向同信號橫向查詢）的方式，得到對應(yīng)的按鍵值。但是矩陣鍵盤需要不停地發(fā)送信號，這樣才能不遺漏每一次按鍵。本設(shè)計需要對溫度信息進行實時的采集，所以單片機要不停地和溫度傳感器通信，保證信息的實時性。如果使用了矩陣式鍵盤，那單片機就需要同時兼顧溫度傳感器和矩陣按鍵，給單片機帶來了巨大的壓力，使系統(tǒng)的整體性能嚴(yán)重降低，出現(xiàn)嚴(yán)重的遲滯性。本系統(tǒng)需要的按鍵不是很多，使用矩陣鍵盤也較為浪費。所以綜合考慮，選擇使用獨立鍵盤作為輸入。5）報警模塊報警模塊主要功能是提示系統(tǒng)使用者，本系統(tǒng)檢測到的溫度值達到了設(shè)定的極限值。報警效果為蜂鳴器鳴叫，警示LED點亮，采用聲光報警可以有效地提醒使用者。2、在軟件上

26、單片機是一個系統(tǒng)的大腦，一個總指揮所，支配其它的所有電路或者模塊協(xié)調(diào)工作。程序是一個系統(tǒng)的思想，沒有程序，電路就是死體，不能正常運作。有了程序，就想肉體有了靈魂，一個有效地程序，能讓一堆電路工作，一個合理高效的程序，能優(yōu)化整個系統(tǒng)使整個系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)的軟件程序主要包括主程序、溫度檢測程序、顯示程序、報警系統(tǒng)程序、鍵盤掃描控制程序這幾個大模塊。主程序首先是各個子程序的初始化程序，然后是溫度檢測程序，不斷的檢測采集到的溫度是否超出設(shè)置的范圍，將檢測到的溫度顯示在TFT彩屏上，在這過程中還可以設(shè)置顯示哪路溫度和溫度測量的范圍，如此不斷的執(zhí)行程序來達到實時溫度檢測的目的。2.2 系統(tǒng)總

27、體方案設(shè)計多路數(shù)字式溫度監(jiān)控系統(tǒng)，一共有三點主要的要求：1.多路；2.數(shù)字式；3.溫度監(jiān)測。本設(shè)計是以STM32F103ZET6為核心，支配著溫度傳感器電路、顯示模塊、報警電路、鍵盤電路。其溫度檢測電路一共有四路，都采用DS18B20溫度傳感器，對各個點的溫度值進行采集。顯示模塊是由TFT及相關(guān)電路組成，用來顯示所有的相關(guān)信息。報警電路由LED與蜂鳴器組成，提示使用者該系統(tǒng)檢測到溫度值已達到極限值，使用者在聽到報警聲后采取相應(yīng)的措施以解除報警，再重新設(shè)置溫度極限值。鍵盤電路則是作為輸入，調(diào)節(jié)極限溫度值或者其它功能。系統(tǒng)框圖如下圖：報警STM32F103ZE顯示模塊解除報警重新設(shè)置溫度極值限值鍵

28、盤電路溫度采集電路圖2.1 系統(tǒng)總流程圖 如圖2.1，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，當(dāng)溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到控制器STM32F103ZE上，經(jīng)它處理后，將溫度在顯示器TFTLCD上顯示。2.3 系統(tǒng)功能介紹利用STM32F103ZE芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度采集并在TFT顯示屏上顯示采集處理后的溫度，使它能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度。當(dāng)TFTLCD液晶顯示器接收到來自STM32F103ZE控制器傳送來的溫度信息后，分別顯示了當(dāng)前的溫度。設(shè)計的主要功能和指標(biāo)如下：（1）多點監(jiān)測；（2）監(jiān)測溫度范圍寬，精度高；（3）用TFT液晶進行實際溫度值顯示；（4）能夠自主設(shè)置上、下

29、限報警溫度；（5）當(dāng)超過報警溫度后，能夠自動發(fā)出報警信號。本系統(tǒng)使用較高的智能化設(shè)計，無需手動對系統(tǒng)進行各種參數(shù)的設(shè)定，一旦進入系統(tǒng)開啟界面，系統(tǒng)將會自動對電路的各個功能模塊進行自檢，如果各個模塊正常，將自動進入監(jiān)測界面，如果檢測到系統(tǒng)的部分問題不正常，將會在顯示界面上顯示出來，便于處理。進入監(jiān)測畫面以后，系統(tǒng)會以默認的初始值進行監(jiān)測，如果被監(jiān)測對象有特殊的需要，可以在監(jiān)測界面下使用按鍵輸入系統(tǒng)，對監(jiān)測的參數(shù)進行修改，達到監(jiān)測所需合適的要求。3 硬件電路設(shè)計3.1 硬件元件介紹3.1.1 STM32F103ZE 介紹根據(jù)本設(shè)計的具體要求，最終選用Cortex-M3內(nèi)核單片機。為了有足夠的引腳與

30、高速的主頻，因而選擇STM32F103ZET6。Cortex-M3采用了ARM7的架構(gòu)，運行速度快、性能高、穩(wěn)定性好、功耗低16。32位的CPU與普通的8位的單片機相比，在速度與性能上都是有飛躍性的差距。Cortex-M3內(nèi)核單片機以其強大的功能，在現(xiàn)代的市場上在有舉足輕重的地位，在許多的高性能、高速度的產(chǎn)品上，主控制器采用了STM32單片機，使整個系統(tǒng)完美的配合。在高速的控制產(chǎn)品上，STM32單片機的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如：GPS定位系統(tǒng)，GSM通訊設(shè)備，無線路由器。STM32單片機高速的不可替代性，使其在新型高速高穩(wěn)定新的新產(chǎn)品應(yīng)用上占據(jù)重要的位置。具體功能介紹：內(nèi)核：ARM 32位的Cort

31、ex-M3 CPU 最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達 1.25DMips/MHz(Dhrystone 2.1) 單周期乘法和硬件除法 存儲器 從256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲器 高達64K字節(jié)的SRAM 帶4個片選的靜態(tài)存儲器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器 并行LCD接口，兼容8080/6800模式 時鐘、復(fù)位和電源管理 2.03.6伏供電和I/O引腳 上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD) 416MHz晶體振蕩器 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器 內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40kHz的RC振蕩器 帶校準(zhǔn)功能的32kHz

32、 RTC振蕩器 低功耗 睡眠、停機和待機模式 VBAT為RTC和后備寄存器供電 3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1s轉(zhuǎn)換時間(多達21個輸入通道) 轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V 三倍采樣和保持功能 溫度傳感器 2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器 DMA：12通道DMA控制器 支持的外設(shè)：定時器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART 調(diào)試模式 串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口 Cortex-M3內(nèi)嵌跟蹤模塊(ETM) 多達112個快速I/O端口 51/80/112個多功能雙向的I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5V信號多達11個定時器 多達4個16位定時器，每

33、個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入 2個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器 2個看門狗定時器(獨立的和窗口型的) 系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器 2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC 多達13個通信接口 多達2個I2C接口(支持SMBus/PMBus) 多達5個USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制) 多達3個SPI接口(18M位/秒)，2個可復(fù)用為I2S接口 CAN接口(2.0B 主動) USB 2.0全速接口 SDIO接口 CRC計算單元，96位的芯片唯一代碼主控制器原理圖如下：圖3

34、.1 STM32F103xx增強型模塊框圖圖3.2 STM32F103ZE 引腳圖圖3.3 STM32F103ZET6 實物圖3.1.2 DS18B20介紹 溫度傳感器性能和結(jié)構(gòu)：DS18B20是數(shù)字式的溫度傳感器，其將溫度值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。數(shù)字式的溫度傳感器可以簡化電路的設(shè)計，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也就是說在不同的溫度環(huán)境下使用，抗干擾能力較高。直接數(shù)字量輸出，省去AD轉(zhuǎn)換電路，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 對于DS18B20的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在的高?；蚵殬I(yè)技術(shù)教學(xué)，都是以其為教學(xué)的材料DS18B20的性能特點如下： (1)單總線接口，節(jié)省I/O口8； (2)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.35.

35、0； (3)溫度測量范圍為55125； (4)測溫分辨率可達0.0625； (5)溫度以9位或12位A/D轉(zhuǎn)換； DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器17,18。DS18B20的外形及管腳排列如下圖: 圖3.4 DS18B20外形及引腳排列圖DS18B20引腳定義： (1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)GND為電源地； (3)VDD為外接供電電源輸入端。圖3.5 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20的工作原理：在測溫系統(tǒng)中經(jīng)常使用的DS18B20的產(chǎn)生的數(shù)據(jù)位數(shù)，主要是由分辨率

36、的不同而產(chǎn)生的，分辨率越高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間越長，相反分辨率越低，轉(zhuǎn)換的時間越久，其時間差距從750mS到2S，這與DS1820的性能相似18。 DS18B20測溫原理如圖3.6所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器121。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入,計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值25。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直

37、到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度21。圖3.6中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值26,27,28,30,31。 斜率累加器預(yù)置低溫度系數(shù)晶振計數(shù)器1比較預(yù)置溫度寄存器=0高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器2=0LSB置位/清除加1停止圖3.6 DS18B20測溫原理框圖DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件： （1） DS18B20地址每一個DS18B20在出廠的時候就已經(jīng)把地址序列固定了，并且每一個DS18B20的質(zhì)地序列都不一樣，所以在使用單總線掛起多個DS18B20的時候，必須先讀出它的地址序列，否則無法識別；然而

38、每個DS18B20都占用一個數(shù)據(jù)線時，就不用讀取地址序列20。64位光刻ROM的排列是：開始的8位是產(chǎn)品類型標(biāo)號，然后48位則是DS18B20自身的序列號，最后8位是之前56位的循環(huán)冗余校驗碼22,23。（2）DS18B20寄存器格式如下表所示： 表3.1 DS18B20溫度值格式bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0232221202-12-22-32-4bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8SSSSS262524DS18B20溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在兩個8比特的RAM中，分辨率為0.0625/LSB，

39、在轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)中，前五位表示溫度的正負值，如果前五位大于0，則溫度為正，此時的溫度值為測得的數(shù)據(jù)值乘上0.0625；如果前五位小于0，則溫度為負，此時的溫度值為測得的數(shù)據(jù)值取反加1再乘上0.062511,12,17,18,33。表3.2 DS18B20溫度數(shù)據(jù)TEMPERATUREDIGTAL OUTPUT（Binary）DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 0000 0550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 0010 0

40、0A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 0000 0000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FF6EH-551111 1100 1001 0000FC90H（3）DS18B20的存儲器 DS18B20的內(nèi)部存儲器由一個RAM(高速隨機存取存儲器)和一個掉電保護的電可擦除E2PRAM組成；E2PRAM用來放置低溫度和高溫度觸發(fā)器TL、TH和結(jié)構(gòu)寄存器33。（4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下：表3.3

41、 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式,在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動,R1和R0用來設(shè)置分辨率26,27，如下表所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）表3.4 溫度分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.1.3 TFTLCD介紹本設(shè)計采用TFT-LCD模塊。TFT-LCD是現(xiàn)在現(xiàn)代信息時代的最佳選擇?，F(xiàn)代的液晶顯示功能已經(jīng)滲透到各行各業(yè)當(dāng)中，生活中最為常見的就是我們的手機，其它比如電腦、平板、

42、MP3、MP4、各種家用設(shè)備。液晶屏的出現(xiàn)，拉近了人與機器的距離，讓人與機器之間可以溝通交流。TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器19。其英文全稱為：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。該模塊有如下特點： 1，2.4/2.8/3.53種大小的屏幕可選。 2，320240的分辨率（3.5分辨率為:320*480）。3，16位真彩顯示。 4，自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。 本設(shè)計使用2.8英寸TFT-LCD模塊，分辨率240*320，16位并口，帶觸摸功能，可以將系統(tǒng)所需要的所有按鍵集成到TFT上。該模塊的外觀圖如圖3-7所示： 圖3.7 2

43、.8寸TFTLCD外觀圖圖3.8 TFTFLCD模塊原理圖此模塊使用TFT的16位并口數(shù)據(jù)總線，而沒有使用8位的，是可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。因為彩色照片的信息量較大，所以在使用TFT時都要求使用大數(shù)據(jù)量傳輸接口。該模塊的80并口有如下一些信號線： CS：TFTLCD片選信號。 WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)。 RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)。 D15：0：16位雙向數(shù)據(jù)線。RST：硬復(fù)位TFTLCD。 RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）。TFTLCD顯示需要的相關(guān)設(shè)置步驟如下： 1） 與TFT鏈接的I/O口初始化（包括時鐘、方向與模式），本設(shè)計使用FSMC功能。2） 初始化TFTL

44、CD模塊。3） 通過函數(shù)將字符和數(shù)字顯示到TFTLCD模塊上。3.1.4 FSMC介紹 STM32的內(nèi)部外設(shè)豐富，可選擇性強，讓用戶在各種不同的應(yīng)用中都能滿足設(shè)計的要求。現(xiàn)代的液晶顯示功能已經(jīng)滲透到各行各業(yè)當(dāng)中，生活中最為常見的就是我們的手機，其它比如電腦、平板、MP3、MP4、各種家用設(shè)備。液晶屏的出現(xiàn)，拉近了人與機器的距離，讓人與機器之間可以溝通交流。因為液晶技術(shù)的興起，F(xiàn)SMC技術(shù)也將隨之興起，F(xiàn)SMC即存儲器擴展技術(shù)，其滿足不同的大容量靜態(tài)存儲器的拓展。 FSMC(Flexihie Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器)是增強型的STM32單片機特有的存

45、儲機制。FSMC機制不是針對某一款存儲器定制的，對寄存器設(shè)置可以改變FSMC的功能，在其它的存儲器上使用。 FSMC的框圖如圖3.9所示：圖3.9 FSMC框圖 FSMC技術(shù)優(yōu)勢 支持多種靜態(tài)存儲器類型。STM32通過FSMC可以與SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NANDFlash存儲器的引腳直接相連9；支持豐富的存儲操作方法。FSMC不僅支持多種數(shù)據(jù)寬度的異步讀寫操作，而且支持對NORPSRAMNAND存儲器的同步突發(fā)訪問方式9；支持同時擴展多種存儲器。FSMC的映射地址空間中，不同的BANK是獨立的，可用于擴展不同類型的存儲器9。當(dāng)系統(tǒng)中擴展和使用多個外部存儲器時，F(xiàn)SM

46、C會通過總線懸空延遲時間參數(shù)的設(shè)置，防止各存儲器對總線的訪問沖突9；支持更為廣泛的存儲器型號。通過對FSMC的時間參數(shù)設(shè)置，擴大了系統(tǒng)中可用存儲器的速度范圍，為用戶提供了靈活的存儲芯片選擇空間9；支持代碼從FSMC擴展的外部存儲器中直接運行，而不需要首先調(diào)入內(nèi)部SRAM9。3.2 硬件電路詳細設(shè)計3.2.1 溫度采集模塊設(shè)計在本系統(tǒng)中，我一共設(shè)計了四路溫度的采集，這四路溫度的采集來自不同的四個溫度傳感器，在實際應(yīng)用中這四個溫度傳感器可以放在四個不同的地方來檢測不同環(huán)境下的溫度。在這里我用了控制器的四個IO口，因為考慮到系統(tǒng)用的控制器IO口數(shù)目多且采用這樣的方式不需要頻繁的讀取地址碼，節(jié)省了系統(tǒng)

47、軟件運行的時間，提高了效率。而且但總線控制時，總線上面掛的多個DS18B20的地址不同，使用時不但要發(fā)送地址，如果某個傳感器壞掉以后，要對其更換，就必須將程序的地址序列修改，不然無法識別新的DS18B20。但總線的設(shè)計，大大降低了系統(tǒng)的通用性，一旦設(shè)計完成，如果要更換傳感器，必須要到專門的地點，專業(yè)的人員對程序進行修改。每一路溫度都和其他路的溫度沒有關(guān)系并且互不沖突，能夠很好的實現(xiàn)四路溫度同時監(jiān)測。下圖為溫度采集系統(tǒng)的電路圖，圖中PG11,PC1,PC2,PC3表示接到控制器相應(yīng)的IO口圖3.10 溫度采集電路圖3.2.2 顯示模塊設(shè)計本設(shè)計中我采用開發(fā)板附帶的TFTLCD顯示屏，它內(nèi)部有IL

48、I9325控制器來驅(qū)動TFT，TFT采用四線制電阻屏，刷屏速度快，帶有觸摸屏功能，可以省去部分按鍵電路的制作。TFTLCD可以直接接在控制器的IO口上，實際上控制器內(nèi)部對其進行了相應(yīng)的控制，利用控制器內(nèi)部自帶的FSMC技術(shù)把它當(dāng)做了SRAM存儲器來使用，因此使用起來方便快捷，無需更多的驅(qū)動的電路。下圖為顯示圖塊電路圖（圖中紅色標(biāo)注表示與控制器相應(yīng)引腳的連接）圖3.11 顯示模塊電路圖由上圖可知，它的數(shù)據(jù)線是采用位并口線來連接的，并且它有如下一些信號線： CS：TFTLCD片選信號。 WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)。 RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)。 D15：0：16位雙向數(shù)據(jù)線。RST：硬復(fù)位TF

49、TLCD。 RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）。這里還需要注意，我們標(biāo)注的DB1DB8，DB10DB17，是相對于LCD控制IC標(biāo)注的，實際上大家可以把他們就等同于D0D15，這樣理解起來就比較簡單一點。3.2.3 按鍵模塊設(shè)計 按鍵采用獨立式按鍵，共用四個按鍵。按鍵部分電路如下圖圖3.12 按鍵模塊電路圖 由上圖可以知道，KEY0，KEY1，KEY2是低電平有效的，KEY_UP是高電平有效的，而且在這里都沒有上下拉電阻，因為在STM32的內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置好了上下拉電阻。具體按鍵功能： KEY1：溫度值設(shè)定按鍵“+”，設(shè)置報警溫度限值值。 KEY0：溫度值設(shè)定按鍵“-”，設(shè)置報警溫

50、度限值值。 KEY_UP：選擇查看哪路溫度顯示。 KEY2：溫度值設(shè)置。按下此鍵開始設(shè)置報警溫度值。3.2.4報警模塊設(shè)計本設(shè)計采用蜂鳴器和led燈光報警，當(dāng)檢測到的溫度值超過我們預(yù)先設(shè)置的報警溫度時，蜂鳴器會發(fā)出聲音并且led燈會亮起來，以此來提醒我們溫度超限了。電路如圖：圖3.13 報警電路圖從圖中可以看到我采用了一個三極管，這是因為STM32的單個 IO 最大可以提供 25mA 電流（來自數(shù)據(jù)手冊），而蜂鳴器的驅(qū)動電流是 30mA 左右，兩者十分相近，但是如果直接驅(qū)動蜂鳴器的話，STM32的其他部分用電可能就不夠用了，所以，我采用了一個三極管擴大電流后再來驅(qū)動蜂鳴器，這樣就不需要STM3

51、2提供很大的驅(qū)動電流了。3.2.5 系統(tǒng)總體電路圖圖3.14系統(tǒng)總電路圖4 軟件設(shè)計程序是一個系統(tǒng)的思想，沒有程序，電路就是死體，不能正常運作。有了程序，就想肉體有了靈魂，一個有效地程序，能讓一堆電路工作，一個合理高效的程序，能優(yōu)化整個系統(tǒng)是整個系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。4.1 主程序流程圖本系統(tǒng)的軟件程序主要包括主程序、溫度檢測程序、顯示程序、報警系統(tǒng)程序，鍵盤控制程序幾個大模塊。主程序的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，決定了一個系統(tǒng)的優(yōu)化程度。主程序采用循環(huán)式掃描，對系統(tǒng)進行循環(huán)的檢測。首先是各個子程序的初始化程序，包括對各個功能模塊的檢測，然后是溫度檢測程序，不斷的檢測采集到的溫度是否超出設(shè)置的范圍，將檢測到的

52、溫度顯示在TFT彩屏上，在這過程中還可以設(shè)置顯示哪路溫度和溫度測量的范圍，如此不斷的執(zhí)行程序，主程序流程圖如圖4.1：開始子程序初始化按鍵溫度設(shè)置讀采集到的溫度值解除報警是否超過設(shè)置的溫度報警YN顯示溫度圖4.1 主程序流程圖4.2溫度采集處理流程圖溫度采集程序主要是對DS18B20的控制程序。由微控制器STM32F103ZET6嚴(yán)格按照DS18B20的時序控制它，進行溫度的采集和轉(zhuǎn)換并輸出到TFTLCD，使我們能夠清楚地看到當(dāng)前溫度值。對DS18B20的設(shè)定在主程序已經(jīng)完成，在這幾只是其轉(zhuǎn)化的程序，不在需要不停地對其設(shè)置，減輕了系統(tǒng)的壓力，使系統(tǒng)的運行速度提高。溫度采集程序流程圖如下：開始提

53、示錯誤檢測DS18B20是否存在復(fù)位DS18B20初始化DS18B20 IO端口 開始溫度轉(zhuǎn)換得到溫度值TFTLCD顯示溫度值圖4.2 溫度采集模塊程序流程圖部分程序代碼如下： DS18B20_Start (a); / ds1820 start convert DS18B20_Rst(a); DS18B20_Check(a); DS18B20_Write_Byte(a,0xcc);/ skip rom DS18B20_Write_Byte(a,0xbe);/ convert TL=DS18B20_Read_Byte(a); / LSB TH=DS18B20_Read_Byte(a); / MSB4.3 顯示子程序介紹顯示字程序需較為復(fù)雜，主要因為TFT的驅(qū)動難，但驅(qū)動程序就可以達百行。本系統(tǒng)顯示程序突出優(yōu)點是折線圖，通過折線圖將實時的溫度顯示出來，看起來更加的直觀，更容易看出溫度的變化趨勢走向。開始TFTLCD 初始化確定顯示位置顯示數(shù)據(jù)圖4.3 顯示程序流程圖部分程序代碼如下： LCD_Fill(2,32,239,320,WHITE); /特點區(qū)域填充為白色POINT_COLOR=BLUE;/設(shè)置字體為藍色 LCD_ShowString(60,90,240,16,16,DS18B20_0 OK);LCD_Sh