STM32F103RBT電熱恒溫箱測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于STM32F103RBT6電熱恒溫箱測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，在工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度控制的應(yīng)用非常廣泛，控制精度的高低直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及使用壽命，研究和設(shè)計(jì)高性能的溫度控制系統(tǒng)具有非常重要的意義。為保證恒溫質(zhì)量，本設(shè)計(jì)從低耗能、控制溫度精度出發(fā)，主控部分采用的是以ARM的溫度測量系統(tǒng)STM32F103系列的設(shè)計(jì)。而STM32是ARM的的Cortex-M3CPU的內(nèi)核,也是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器,具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了以STM32F103微控制器為核心的電熱恒溫箱測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),并配合外圍器件組成一個(gè)恒溫箱測控系統(tǒng)。硬件方面采用了ST公司的STM32F103作為系統(tǒng)的主控芯片,溫度測量系統(tǒng)采用單線式溫度傳感器DS18B20、將采集溫度值通過LCD1602顯示器顯示、由鍵盤進(jìn)行溫度值設(shè)定、同時(shí)利用固態(tài)繼電器構(gòu)建開關(guān)功放調(diào)節(jié)加熱器工作狀態(tài),并配置報(bào)警系統(tǒng)模塊等能夠同PC機(jī)進(jìn)行串口通信,同時(shí)通過nRF24L01無線模塊將測量值遠(yuǎn)距離傳輸至液晶顯示屏1602顯示，實(shí)現(xiàn)了對糧倉溫度值的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了監(jiān)控室離工作現(xiàn)場較遠(yuǎn)的問題。整個(gè)測控模塊具有體積小、精度高、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。軟件方面使用ST公司官方提供的固件庫進(jìn)行底層驅(qū)動設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)串口、溫度等驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程控制,以及安全報(bào)警等基本功能。關(guān)鍵詞電熱恒溫箱，STM32F103芯片，溫度控制BasedonSTM32F103RBT6electricheatofthemeasureandcontrolsystemintheconstanttemperatureboxdesignAbstractTemperatureisthemainaccusedintheindustrialcontroloneoftheparameters,inthefieldofindustrialcontrol,temperaturecontrolisusedwidely,controlprecisionwilldirectlyaffectthequalityofproductsandservice,researchanddesignofhighperformanceofthetemperaturecontrolsystemhasveryimportantsignificance.Inordertoensurethequalityofthedesignofconstanttemperature,lowenergyconsumption,highaccuracyoftemperaturecontrolfromthestart,themaincontrolpartisusedinthetemperaturemeasurementsystemwithARMSTM32F103seriesdesign.WhiletheSTM32ARMCortex-M3CPUkernel,itisthefirstsystemstructurebasedonARMv7-M32standardprocessors,withlowpowerconsumption,lessthenumberofgates,shortinterruptiondelay,lowcost,highprecisionoftemperatureadjustment.InordertorealizetheSTM32F103microcontrollerasthecoreoftheelectricthermostatcontrolsystemhardwaredesignandsoftwaredesign,andwithperipheraldevicescomposedofathermostatcontrolsystem.HardwareusingST'sSTM32F103systemasthemaincontrolchip,temperaturemeasurementsystemusingsinglelinetypetemperaturesensorDS18B20,willcollectthetemperaturevaluethroughtheLCD1602display,akeyboard,temperaturesettingandusingsolidstaterelayswitchpowerconstructionputregulatingheaterworkingstate,andtheconfigurationofalarmsystemmodulecanbethesameasthePCmachineserialcommunication,andthroughnRF24L01wirelessmoduleofmeasuredtransmissionto1602LCDdisplay,realizethegranarytemperaturereal-timemonitoring,solvesthecontrolroomfromtheworksitefartherproblems.Thecontrolmodulehastheadvantagesofsmallvolume,highprecision,strongprocessingabilityandothercharacteristics.ThesoftwareusingtheSTofficialfirmwarelibrarydriverdesign,serial,temperatureandotherdriver,toachievelocalorremotecontrol,andsecurityalarmandotherbasicfunctions.Keywordselectricheatingconstanttemperaturebox,STM32F103chip,temperaturecontrol1緒論 11.1選題背景 11.2課題的提出及研究的意義 11.3本文的設(shè)計(jì)思路及預(yù)期結(jié)果 21.3.1本文設(shè)計(jì)思路 21.3.2預(yù)期結(jié)果 32糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 42.1系統(tǒng)功能的定義和描述 42.2硬件電路的設(shè)計(jì) 42.3系統(tǒng)主要單元的選擇與論證 52.3.1主控芯片的選擇與論證 52.3.2溫度傳感器的選取 62.3.3液晶顯示器的選取與論證 72.3.4無線傳輸模塊的選取 72.4各硬件電路模塊的設(shè)計(jì)及I/O口說明 82.4.2液晶顯示器LCD1602的設(shè)計(jì) 92.4.3nRF24L01無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì) 102.4.5按鍵的設(shè)計(jì) 112.4.6蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 122.5測控工作總說明 132.6電路原理圖及PCB板的設(shè)計(jì) 132.6.1微控制器電路 132.6.2PCB板設(shè)計(jì) 143控制模塊軟件設(shè)計(jì)與接口配置 163.1軟件設(shè)計(jì) 163.1.1編譯工具 163.1.2庫函數(shù) 163.1.3應(yīng)用程序編寫 163.2功能模塊軟件設(shè)計(jì)及工作情況 173.2.1LED燈軟件設(shè)計(jì) 173.2.2溫度傳感器DS18B20的使用 183.2.3液晶顯示LCD1602 203.2.4EEPROM存儲器 223.2.5無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì) 223.2.6鍵盤模塊軟件設(shè)計(jì) 244系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)計(jì)分析 274.1軟件硬件調(diào)試 274.1.1調(diào)試步驟 284.1.2系統(tǒng)測試結(jié)果 28結(jié)論 30致謝 32參考文獻(xiàn) 33附錄 341緒論1.1選題背景隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，自動化監(jiān)測已經(jīng)成為了人們的追求目標(biāo)之一，自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)經(jīng)普及到我們的生活，工作，科研，各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)。溫室、糧庫等恒溫場所對于自動化的要求也越來越高，對室內(nèi)溫度的測量和設(shè)備的控制操作要用自動控制系統(tǒng)來完成。我國是一個(gè)人口眾多的大國，科學(xué)儲糧是保證人們的糧食供應(yīng)，促進(jìn)社會安定的大事，糧倉溫度的檢測在科學(xué)儲糧中占有重要地位。在大多數(shù)糧食存儲企業(yè)，目前仍主要靠人工檢測糧倉溫度。由于糧庫占地面積大，糧倉分散，倉內(nèi)溫度測試點(diǎn)多，因而人工檢測工作量大，效率低，檢測周期長，容易漏檢，而且測量器件損壞率高，測試精度難以保證?？販貎Z是使糧食在儲藏期間保持一定的溫度水平，達(dá)到安全的儲藏目的。控溫儲糧能保持糧食較好的品質(zhì)，是目前比較安全，經(jīng)濟(jì)，綠色的儲糧技術(shù)，已成為科學(xué)儲糧技術(shù)發(fā)展的新方向。低溫儲糧使糧食品質(zhì)提高，溫度對微生物、細(xì)菌的繁殖也有很大的影響，大多數(shù)菌種生長繁殖的溫度范圍是28℃~30℃，溫度低于15℃當(dāng)糧庫溫度在20℃~35℃，相對濕度≥85%時(shí)，糧食就容易發(fā)生霉變，當(dāng)溫度較高，空氣中相對濕度較低時(shí)，霉菌也能依附在生物表面繁殖生長。分析表明，我國江南5~9月有利于發(fā)生霉變的頻率為34%，即夏季約有三分之一的時(shí)間，其溫、濕度及空氣中的水汽含量搭配得當(dāng)，易導(dǎo)致糧倉內(nèi)大部分倉儲物品霉變，尤其在7、8倆月，溫度條件有利于物品發(fā)生霉變的頻率達(dá)60%以上，而在其他時(shí)段均在20%以下。儲糧害蟲一般適濕度在70％~75%，如果糧堆內(nèi)的空氣相對濕度保持在1.2課題的提出及研究的意義糧食的安全存儲是關(guān)系到國民生計(jì)的戰(zhàn)略太事，科學(xué)保糧具有重要的社會意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值糧倉管理中最重要的問題是監(jiān)測糧堆中的溫度變化。國家為糧食儲臧每年支付很高的費(fèi)用，主要是因?yàn)楸O(jiān)測設(shè)備成本較高，管理方式不夠先進(jìn)。在理論研究和實(shí)地考察實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了糧食倉庫溫度實(shí)時(shí)在線巡回監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制。溫度的檢測與控制防止糧食霉變有著重要的意義，討論糧堆溫度變化的主要原因以及糧食倉庫中溫度的允許變化范圍。探討在線測量，計(jì)算和控制糧食倉庫溫度的原理和方法，基本消滅了糧食霉變事故，同時(shí)也節(jié)省了大量人力和物力，減輕了糧倉管理的工作強(qiáng)度，提高了糧庫管理效率，使糧食管理得到了安爭可靠的保障。每到糧食收獲季節(jié)各糧倉的糧食收購及糧情檢測工作壓力巨大，如何進(jìn)行糧食的現(xiàn)代化管理也是每一個(gè)儲庫點(diǎn)的重中之重，若管理不當(dāng)，糧食發(fā)霉或生蟲會造成極大浪費(fèi)。糧倉管理中最重要的問題是監(jiān)測糧堆中的溫度變化。國家為糧食儲藏每年支付很高的費(fèi)用，主要是因?yàn)楸O(jiān)測設(shè)備成本較高，管理方式不夠先進(jìn)，于是溫度智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用也日益迫切。糧食溫度是能否保證糧食安全儲存的重要指標(biāo)之一，只有及時(shí)，準(zhǔn)確地測得糧堆各層面的糧溫?cái)?shù)據(jù)，井根據(jù)檢測的溫度數(shù)據(jù)對糧食儲存情況進(jìn)行分析．作出決策，采取措施，最大限度的減少糧食在儲存過秤中的損失。正目前，糧庫中的溫度檢測，基本上是人工檢測，勞動強(qiáng)度大，繁瑣，由于檢測報(bào)警不及時(shí)，造成庫儲糧食損失的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，于是，設(shè)計(jì)并研制性能價(jià)格比較高的糧庫溫度自動檢測系統(tǒng)迫在眉睫。由于大型糧庫分布廣、儲量大，糧庫的管理和監(jiān)測難度大．基于糧庫糧情檢測系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)管理軟件的設(shè)計(jì)，由每個(gè)糧倉中配置的溫度檢測系統(tǒng)將糧情溫度數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過無線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送給遠(yuǎn)處的監(jiān)控接收模塊以便于起到實(shí)時(shí)監(jiān)控，清晰直觀地顯示各倉內(nèi)溫度狀況，由此對糧倉進(jìn)行監(jiān)視，管理人員在控制室就可以看到實(shí)時(shí)糧情數(shù)據(jù)，對糧借數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)糧倉管理自動化、智能化。1.3本文的設(shè)計(jì)思路及預(yù)期結(jié)果1.3.1本文設(shè)計(jì)思路充分考慮氣候、環(huán)境因素對糧食存儲的影響，并根據(jù)糧倉內(nèi)糧食保持正常狀態(tài)所需的溫度以及針對現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度檢測精度不高、數(shù)據(jù)傳輸距離短、主控操作界面不直觀進(jìn)行了完善設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出溫度參考值預(yù)先存儲于STM32F103RBT6主控芯片中，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分是將溫度傳感器置于倉庫內(nèi)部，測出倉內(nèi)的溫度值，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送入STM32F103RBT6微控制器中，然后通過液晶顯示器LCD1602顯示，主控芯片將預(yù)設(shè)的參考值與測量值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出判斷，經(jīng)過程序分析處理發(fā)送相應(yīng)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，進(jìn)而控制干燥機(jī)、可調(diào)和風(fēng)機(jī)等設(shè)備，以此來調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫度。如此循環(huán)不斷，使溫度值與設(shè)定值保持一致。當(dāng)溫度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警，如果有必要，倉管人員還可以根據(jù)實(shí)際的情況通過鍵盤或按鈕來人工修改片內(nèi)存儲的預(yù)設(shè)值。通過對整個(gè)系統(tǒng)的核心控制芯片部分的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化控制溫度的目標(biāo)。1.3.2預(yù)期結(jié)果根據(jù)設(shè)計(jì)方案及思路，預(yù)測出現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)出一款簡潔實(shí)用、精確穩(wěn)定、使用直觀、維修方便的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)完好的設(shè)計(jì)完后，連接所有的硬件設(shè)備，運(yùn)行相應(yīng)的軟件設(shè)備放在某個(gè)采集點(diǎn)的溫度傳感器會感應(yīng)測出相應(yīng)的模擬溫度值，經(jīng)過放大器的放大再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成STM32F103RBT6微控制器可以識別的數(shù)字信號，信號編譯連接傳到液晶顯示器LCD1602可以看到相應(yīng)的結(jié)果。且當(dāng)設(shè)定值超過溫度范圍時(shí)將通過蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)開啟無線收發(fā)模塊以便遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控糧倉溫度變化情況。當(dāng)溫度值沒有超過額定的溫度范圍，測控系統(tǒng)接收下一次的溫度采集值。2糧