基于STM32芯片的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求該溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以數(shù)值形式在屏幕上顯示出來(lái)。并且可以通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)做數(shù)據(jù)通信，將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)外部功能擴(kuò)展。溫度測(cè)量探頭的工作溫度為-50℃至200℃。測(cè)量系統(tǒng)的工作溫度為-20℃至60℃。系統(tǒng)使用5V的USB電源供電。主處理芯片STM32F103RCT6的管腳都引出，并且預(yù)留接口，測(cè)量系統(tǒng)硬件和軟件都可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。本文從實(shí)現(xiàn)以上所述根本功能出發(fā)，對(duì)整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路為是通過(guò)熱敏電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)行模數(shù)采集后的到數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字濾波處理后，通過(guò)顯示器將溫度的數(shù)值顯示出來(lái)。溫度數(shù)值顯示數(shù)字濾波溫度數(shù)值顯示數(shù)字濾波信號(hào)放大溫度采集圖2.1溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖2.1溫度采集熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化。一般采用阻值的變化與溫度的變化有線性關(guān)系的電阻來(lái)采集溫度，最后通過(guò)阻值的變化來(lái)反映出溫度。Pt100鉑熱電阻與溫度之間存在一定關(guān)系，通過(guò)阻值的變化可以得到對(duì)應(yīng)的溫度。有些是采用熱電偶的方式，溫度檢測(cè)局部可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種金屬的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。通過(guò)將參考結(jié)點(diǎn)保持在溫度并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的溫度。本設(shè)計(jì)中采用的是鉑熱電阻Pt100，鉑易于提純、復(fù)制性好，在氧化介質(zhì)，甚至高溫條件下物理化學(xué)性質(zhì)都及其穩(wěn)定。鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算公式：在-200℃~0℃的溫度范圍內(nèi)為：Rt=R0在0~800℃的溫度范圍內(nèi)為:Rt=R0式中：Rt為溫度在t℃時(shí)鉑電阻值，R0為0℃時(shí)鉑電阻值，A、B、C為常數(shù)。鉑熱電阻不同分度號(hào)對(duì)應(yīng)有相應(yīng)分度表，即R(t)?t關(guān)系表。實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值，即可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值?；菟雇姌颉灿址Q單臂電橋〕是一種可以精確測(cè)量電阻的電路。他由四個(gè)電阻組成的電橋電路，這四個(gè)電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來(lái)測(cè)量物理量的變化，單片機(jī)采集可變電阻兩端的電壓然后處理，就可以計(jì)算出相應(yīng)的物理量的變化，是一種精度很高的測(cè)量方式。如上圖，電橋平衡時(shí)，檢流計(jì)所在支路電流為零，那么有：〔1〕流過(guò)R1和R4的電流相同，流過(guò)R2和R3的電流相；〔2〕B，D兩點(diǎn)電勢(shì)相等。圖2.2惠斯通電橋示意圖由于三個(gè)阻值，便可求得第四個(gè)電阻。測(cè)量時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳鳛镽1和R2，用一個(gè)可變電阻作為R3，令被測(cè)電阻充當(dāng)R4，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，而且可利用高靈敏度的檢流計(jì)來(lái)測(cè)零，故用電橋測(cè)電阻比用歐姆表精確。電橋不平衡時(shí)，G的電流IG與R1，R2，R3，R4有關(guān)。利用這一關(guān)系也可根據(jù)IG及三個(gè)臂的電阻值求得第四個(gè)臂的阻值，因此不平衡電橋原那么上也可測(cè)量電阻。在不平衡電橋中，使R4為要測(cè)量阻值的熱敏電阻，而R1、R2和R3的阻值相等。BD端電壓和R4阻值有以下對(duì)于關(guān)系：△V=(R4R1+R4-R2設(shè)R1、R2和R3的阻值為R，所以，通過(guò)采集BD間的電壓△V，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，即可得到R4的阻值。R4和△V有一下關(guān)系：R4=（2.2信號(hào)放大處理信號(hào)放大處理使用MCP6002芯片進(jìn)行，MicrochipTechnologyInc.的MCP6002運(yùn)算放大器專為通用應(yīng)用而設(shè)計(jì)。具有1MHz增益帶寬乘積〔GBWP〕和90°相位容限?？梢员３?5°相位帶有500pF容性負(fù)載容限。這個(gè)系列工作電壓低至1.8V，100μA〔典型值〕靜態(tài)電流。電源為范圍1.8V至5.5V。圖2.3MCP6002簡(jiǎn)圖MCP6002芯片中包含了兩個(gè)運(yùn)算放大器，本設(shè)計(jì)中只使用一個(gè)，另外一個(gè)留作擴(kuò)展。VDD接電源正極，VSS接電源負(fù)極，Vina+和Vina-分別接在電橋上的BD端，Vouta輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。2.3數(shù)據(jù)處理本設(shè)計(jì)中使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6，STM32F1系列根底型MCU滿足了工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類市場(chǎng)的各種應(yīng)用需求。憑借該產(chǎn)品系列，意法半導(dǎo)體在全球ARMCortex-M微控制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，同時(shí)樹(shù)立了嵌入式應(yīng)用的里程碑。該系列利用一流的外設(shè)和低功耗、低壓操作實(shí)現(xiàn)了高性能，同時(shí)還以可接受的價(jià)格、利用簡(jiǎn)單的架構(gòu)和簡(jiǎn)便易用的工具實(shí)現(xiàn)了高集成度。STM32F103RCT6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2S接口、1個(gè)SDIO接口、5個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。STM32F103RCT6工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V。本設(shè)計(jì)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換就使用STM32F103RCT6中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)完成。STM32F103RCT6內(nèi)嵌3個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)ADC共用多達(dá)21個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)后，使用加權(quán)遞推平均濾波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。遞推平均濾波法是指在存儲(chǔ)器中，開(kāi)辟一個(gè)區(qū)域作為暫存隊(duì)列使用，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的那個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有個(gè)“最新〞的數(shù)據(jù)。遞推平均項(xiàng)數(shù)的選取是比擬重要的環(huán)節(jié)，N選得過(guò)大，平均效果好，但是，對(duì)參數(shù)變化的反響不靈敏；N選得過(guò)小，濾波效果不顯著。圖2.4STM32F103RCT6實(shí)物圖加權(quán)遞推平均濾波法是對(duì)遞推平均濾波法的改良，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常是，越接近現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)，權(quán)值取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，那么靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。2.4溫度數(shù)值顯示本設(shè)計(jì)使用ALIENTEKOLED模塊顯示溫度數(shù)值。該OLED模塊是ALIENTEK推出的一款小尺寸、高亮、自帶升壓電路的高性能OLED顯示模塊，分辨率為128*64，該模塊采用原裝維信諾高亮OLED屏，采用SSD1304驅(qū)動(dòng)IC，該芯片內(nèi)部集成DCDC升壓，僅需3.3V供電，即可正常工作。模塊支持8位6800并口，8位8080并口，IIC以及4線SPI等4種通信接口，通過(guò)模塊反面的BS1和BS2焊盤，可以自行設(shè)置模塊的接口方式。圖2.5ALIENTEKOLED模塊實(shí)物圖3電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)包括STM32F103RCT6芯片外圍電路、溫度采集電路和OLED電路，其中STM32F103RCT6芯片外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和USB通信電路。3.1電源電路電源電路中包括USB接口、AMS1117-3.3穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)按鈕、瞬態(tài)浪涌抑制二極管、可恢復(fù)保險(xiǎn)絲和鉭電容等等，電路中由USB接口外部供電，AMS1117-3.3將USB的5V電源穩(wěn)壓到3.3V輸入到系統(tǒng)中。圖3.1電源電路原理圖其中AMS1117-3.3內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜計(jì)算機(jī)的最正確選擇。AMS1117芯片上Vin接USB口的VCC，Vout為穩(wěn)壓后的電壓輸出，GND/ADJ口可以做調(diào)壓使用，不需要調(diào)壓的情況下，直接接GND。AMS117的輸入和輸出端都加上濾波電容。瞬態(tài)二極管簡(jiǎn)稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)。USB接口上的D+和D-為數(shù)據(jù)通信口，兩者都連接到USB通信芯片CH340上，其中D+加了1.5K歐姆的上拉。USB自動(dòng)識(shí)別設(shè)備為高速還是低速靠上拉電阻在D+還是D-上區(qū)別，電阻阻值的不標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響USB自動(dòng)識(shí)別資源分配，其中D+加1.5K歐姆的上拉為12MBPs高速率工作模式。圖3.2AMS1117簡(jiǎn)圖3.2晶振電路電路中使用12M高速晶振和32.768K低速晶振，其中32.768K低速晶振保證RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。內(nèi)部時(shí)鐘的精度不高，溫飄也比擬大，所以我們主要使用外部的12M高速時(shí)鐘。外部高速時(shí)鐘經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)倍頻輸出，可以倍頻2-16倍，最大可以到72MHz。圖3.2晶振電路原理圖3.3復(fù)位電路STM32F103RCT6芯片復(fù)位引腳RESET默認(rèn)上拉，當(dāng)復(fù)位按鍵KEY1被按下是，RESET引腳被拉低，芯片復(fù)位。復(fù)位電路如下列圖。圖3.3復(fù)位電路原理圖3.4USB通信電路本設(shè)計(jì)中USB與計(jì)算機(jī)通信用CH340芯片完成，溫度測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)CH340可以把溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)其他功能的拓展。CH340芯片還能實(shí)現(xiàn)通過(guò)USB接口一鍵下載程序到STM32F103RCT6上。CH340是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線。具有全速USB設(shè)備接口，兼容USBV2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。計(jì)算機(jī)端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無(wú)需修改。硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50bps-2Mbps。支持5V電源電壓和3.3V電源電壓。當(dāng)使用5V工作電壓時(shí)，CH340芯片的VCC引腳輸入外部5V電源，并且V3引腳應(yīng)該外接容量為4700pF或者0.01uF的電源退耦電容，CH340芯片正常工作時(shí)需要外部向XI引腳提供12MHz的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下，時(shí)鐘信號(hào)由CH340內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。外圍電路只需要在XI和XO引腳之間連接一個(gè)12MHz的晶體，并且分別為XI和XO引腳對(duì)地連接振蕩電容。一鍵下載電路的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先，MCUISP控制DTR輸出低電平，然后RTS置高，即DTR#輸出高，RTS#輸出低，這樣Q2導(dǎo)通，BOOT0被拉高，即實(shí)現(xiàn)設(shè)置BOOT0為1，同時(shí)Q1也會(huì)導(dǎo)通，STM32F103RCT6的復(fù)位腳RESET被拉低，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。然后，延伸100ms后，MCUISP控制DTR為高電平，DTR#輸出低電平，RST維持高電平，那么RTS#繼續(xù)為低電平，此時(shí)STM32F103RCT6的復(fù)位引腳因?yàn)镼1不導(dǎo)通，變?yōu)楦唠娖?，完成?fù)位，但是BOOT0還維持在1，從而進(jìn)入ISP模式，接著MCUISP就可以和STM32F103RCT6連接，下載代碼，從而實(shí)現(xiàn)一鍵下載。圖3.4USB通信電路原理圖3.5溫度采集電路本設(shè)計(jì)使用Pt100鉑熱電阻對(duì)溫度進(jìn)行采集，電橋供電電壓為3.3V，電橋上的R41,、R42和R33的阻值相等，S+和GND引線接到Pt100上，電橋兩端連接到運(yùn)算放大器MCP6002的VINA+和VINA-上，運(yùn)算放大器MCP6002同樣使用3.3V的電源供電。MCP6002的放大輸出端VOUTA與STM32F103RCT6的PA1引腳〔即ADC1的CH1〕連接，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MCP6002中的另外一個(gè)運(yùn)算放大器的三個(gè)引腳VINB+、VINB-和VOUTB也引出來(lái)，作為擴(kuò)展接口。圖3.5溫度采集電路原理圖3.6OLED電路OLED模塊采用8*2的2.54排針與外部連接，共有16個(gè)管腳，在16條線中，只用了15條，有一個(gè)是懸空的。15條線中，電源和地線占了2條，還剩下13條信號(hào)線。在不同模式下，需要的信號(hào)線數(shù)量不同，在8080模式下，需要全部13條信號(hào)線，在IIC模式下，僅需2條線就夠，其中有一條是共同的復(fù)位線〔RST〕，RST上的低電平，將導(dǎo)致OLED復(fù)位，在每次初始化之前，都要復(fù)位一下OLED模塊。ALIENTEKOLED模塊的控制器是SSD1306.圖3.6OLED電路原理圖本設(shè)計(jì)中使用8080并行接口，該總線被廣泛用于各類液晶顯示器。在8080接口方式中CS為OLED片選信號(hào)，WR向OLED寫入數(shù)據(jù)，RD從OLED讀取數(shù)據(jù)，RST為硬復(fù)位。先根據(jù)要寫入/讀取的數(shù)據(jù)類型，設(shè)置DC為高〔數(shù)據(jù)〕/低〔命令〕，然后拉低片選，選中SSD1303，接著更具讀/寫數(shù)據(jù)設(shè)置RD/WD為低，然后再RD的上升沿，使數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)線D[7:0]上。圖3.7溫度測(cè)量系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)圖4程序設(shè)計(jì)構(gòu)架程序首先要對(duì)串口、ADC、OLED進(jìn)行初始化，接下來(lái)是對(duì)局部數(shù)據(jù)初始化。程序設(shè)計(jì)的核心是加權(quán)遞推平均濾波算法的設(shè)計(jì)。算法的設(shè)計(jì)架構(gòu)如下：圖4程序設(shè)計(jì)流程圖加權(quán)遞推平均濾波算法實(shí)現(xiàn)代碼如下：intmain(void){ u32a[10],c[10],n,sum,i;uart_init(9600); //串口初始化為9600LED_Init(); //初始化與LED連接的硬件接口Adc_Init(); //ADC初始化 n=0;//數(shù)據(jù)錄入位置初始化 for(i=0;i<10;i++)c[i]=10-i;//權(quán)值初始化 w