基于STM32的溫度采集系統(tǒng)設計

《ARM嵌入式系統(tǒng)》課程論文題

目：基于STM32的溫度采集系統(tǒng)設計學生姓名：

劉笑學生學號：1314020120年

級：13級專

業(yè)：

電子信息工程班

級：（1）班任課教師：

王宜結電子工程學院制目錄1、設計的任務與要求21.1設計目的21.2設計意義2

2、溫度系統(tǒng)設計方案制定32.1設計要求32.2方案論證33、硬件設計方案實施43.1單元模塊功能及電路設計

43.2電路參數(shù)計算及元器件選擇3.2.1電源電路設計53.2.2溫度采集電路設計64、設計的仿真實現(xiàn)64.1設計思路64.2程序清單7

54.3STM32溫度系統(tǒng)設計仿真實現(xiàn)5、心得體會和總結10參考文獻12基于STM32的溫度采集系統(tǒng)設計學生：劉笑指導教師：王宜結

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電子工程學院電子信息工程專業(yè)摘要：本設計是基于嵌入式技術作為主處理器的溫度采集系統(tǒng)，利用S3C44B0xARM微處理器作為主控CPU，輔以單獨的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能化的溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與顯示等功能，并討論了如何提高系統(tǒng)的速度、可靠性和可擴展性。并解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，能夠完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)、ARM、S3C44B0、STM32、溫度采集、數(shù)據(jù)處理。1、設計內容1.1設計目的：1、注重培養(yǎng)綜合運用所學知識、獨立分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，并獲得科學研究的基礎訓練。2、了解所選擇的STM32芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)定時，I/O口，中斷等的相關原理，并鞏固學習嵌入式的相關內容知識。3、通過軟硬件設計實現(xiàn)利用STM32芯片對周圍環(huán)境溫度信號的采集及顯示。1.2設計意義：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它

必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。被采集數(shù)據(jù)是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)由于存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急。基于STM32的溫度采集系統(tǒng)就成為了解決傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)各種弊端的優(yōu)先選擇方案。2、設計方案2.1設計要求：1、查閱相關文獻資料，熟悉所選STM32片及溫度傳感器2、總體設計方案規(guī)劃

3、系統(tǒng)硬件設計，熟悉AD轉換原理及過程，溫度傳感器與芯片的硬件接口實現(xiàn)及溫度顯示。4、系統(tǒng)軟件設計，包括溫度的AD轉換及顯示的軟件實現(xiàn)，用語言編程5、設計心得體會及總結2.2方案論證：有許多客觀需求促進了STM32處理器的設計改進。首先，便攜式的嵌入式系統(tǒng)往往需要電池供電。為降低功耗，STM32處理器已被特殊設計成較小的核，從而延長了電池的使用時間。高的代碼密度是嵌入式系統(tǒng)的又一個重要需求。由于成本問題和物理尺寸的限制，嵌入式系統(tǒng)的存儲器是很有限的。所以，高的代碼密度對于那些只限于在板存儲器的應用是非常有幫助的。另外，嵌入式系統(tǒng)通常都是價格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本較低的存儲器。STM32內核不是一個純粹的RISC體系結構，這是為了使它能夠更好的適應其主要應用領域－－嵌入式系統(tǒng)。在某種意義上，甚至可以認為內核的成功，正是因為它沒有在RISC的概念上沉入太深。現(xiàn)在系統(tǒng)的關鍵并不在于單純的處理器速度，而在于有效的系統(tǒng)性能和功耗。在本系統(tǒng)的設計過程中，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的基本設計思想，系統(tǒng)采用了模塊化的設計方法，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和技術指標，系統(tǒng)遵循自上而下、由大到小、由粗到細的設計思想，按照系統(tǒng)的功能層次，在設計中把硬件和軟件分成若干功能模塊分別設計和調試，然后全部連接起來統(tǒng)調。3、硬件設計3.1設計思路：

本設計的基于STM32的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分＋STM32核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。并考慮到系統(tǒng)的可擴展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴展性好等優(yōu)點。電源部分

圖3-1

系統(tǒng)原理框圖本設計的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集和顯示裝置的原理框圖如圖所示。由圖可見，本系統(tǒng)采用“電源部分＋ARM核心控制模塊＋溫度采集模塊”實現(xiàn)所需功能。3.2.1電源電路設計：本系統(tǒng)的電源電路由兩部分組成：系統(tǒng)總電源電路和核心模塊電源電路。如圖3-2：+12V恒定直流電源經(jīng)電容濾波，分別進入和7805壓，得到+9V和+5V的穩(wěn)定電壓輸出后分別供給STM32心控制模塊和其余電路部分使用。圖中IN4148是為了防止輸出端并接高于本穩(wěn)壓模塊的輸出電壓而燒壞和7805而特別設計，達到了可靠性電源設計目的。另外，由于系統(tǒng)正常工作電流較大，因此使用時均應在7809和7805上加散熱片散熱。由圖可見，系統(tǒng)采用雙電源供電，提供了系統(tǒng)正常工作所需的電源電壓。另外，由于考慮到便攜目的，本系統(tǒng)采用+12V鉛蓄電池提供系統(tǒng)所需的恒定直流電源。

圖3-2

系統(tǒng)電源電路原理圖如圖3-2：I/O口提供了相應的穩(wěn)定直流電源。其中的IN4004是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。由于S3C44B0x用2.5V作為STM32內核電源，使用3.3V作為I/O口電壓，故STM32核心控制模塊電源需要另外單獨設計，其電源電路如圖3-2所示。由系統(tǒng)總電源電路提供的9V穩(wěn)壓電源作為輸入，分別經(jīng)AS1117-5.0、AS1117-3.3、AS1117-2.5穩(wěn)壓后，輸出5.0V、3.3V2.5V恒定電源，為STM32內核和I/O口提供了相應的穩(wěn)定直流電源。其中的是為了防止電源輸入反接燒壞集成穩(wěn)壓塊而設計的。3.2.2溫度采集電路設計：溫度采集模塊電路采用AT89S52單片機作為模塊的協(xié)控制器。對于溫度傳感器的選用DS18B20，因為DS18B20是Dallas公司最新單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器集溫度變換、A/D轉換于同一芯片，輸出直接為數(shù)字信號，大大提高了電路的效率。由于現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，且提高了CPU的效率。AT89S52單片機的口與8路溫度傳感器相連，用于采集溫度數(shù)據(jù)；另外，模塊提供RS-232行口與STM32核心控制模塊通信，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。溫度采集模塊電路原理圖如圖。

圖3-3

溫度采集電路原理圖四、軟件設計4.1設計思路：本系統(tǒng)軟件設計是在CodeWarriorforADS開發(fā)環(huán)境下完成的。本溫度數(shù)據(jù)采集與顯示裝置的主體由S3C44B0x核心控制模塊和溫度數(shù)據(jù)采集模塊構成，所以系統(tǒng)軟件也是圍繞這兩個模塊來編寫的。而又由于系統(tǒng)采用了和AT89S52兩個CPU協(xié)同工作，所以軟件的編寫需要對這兩個分別編寫，以實現(xiàn)所要求的功能。程序流程圖如圖4-1。

圖4-1程序流程圖由該流程圖可看出，剛上電時，S3C44B0x先進行STM32內部的初始化，以使STM32進入相應的狀態(tài)和模式；然后初始化硬件裝置，以使硬件系統(tǒng)可以正常支持溫度數(shù)據(jù)采集；接著通信初始化，以確定溫度采集模塊與核心控制模塊連接正常，并通過UART復位溫度數(shù)據(jù)采集模塊，確保其進入正常溫度數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；然后初始化LCD顯示和鍵盤，在LCD上顯示相應的菜單列表，供用戶通過鍵盤選擇操作；至此，系統(tǒng)初始化完成，并進入正常主程序循環(huán)狀態(tài)。在正常主程序循環(huán)狀態(tài)中，首先掃描鍵盤，以快速的響應用戶的按鍵操作；若沒有鍵值按下，則STM32立即進行數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示等功能。

其主程序包括溫度采集程序、STM32獲取溫度子程序、溫度處理和轉換子程序。當STM32處理器接收到正確的溫度數(shù)據(jù)后，立即進行相應的溫度數(shù)據(jù)處理與轉換，變成可被LCD直接顯示的正確溫度值。4.2程序清單:溫度處理與轉換子程序如下：//存放讀取到的當前溫度值，未轉換StaticU16a-temp-now[8]={8*0}//存放經(jīng)精度計算后的實際溫度值，高位整數(shù)部分，低8位小數(shù)部分staticU16b-temp-now[8]={8*0};//存放8路轉換后溫度值,分別為百位,十位個位,小數(shù)位staticU8temp-convent-all[32]={32*0};//-------------------------------//溫度處理與轉換子程序//----------------------------------voidtemp-change(void){U8negtive=0x00;//存放數(shù)的符號，若為正=0；若為負，U8j=0;

U8*pt=temp-convent-all;U16*p1=a-temp-now;U16*p3=b-temp-now;U16temp=0;for(j=0;j<8;j++){negative=0x00;temp=*p1;//若溫度為負值，進行相應處理if((temp&0xf80)！=0){temp=(~temp)+1；//轉為正的原碼negative=0xff；//同時置符號為0xff}//根據(jù)精度消除無關數(shù)據(jù)switch(a-temp-prec){

case0x1f://精度為9位,則清除最低3位無效位{temp=temp&0xfff8;break;}case0x3f://精度為10位,則清除最低2位無效位{temp=temp&0xfffc;break;}case0x5f://精度為11位,則清除最低1位無效位{temp=temp&0xfffe;break;}case0x7f://精度為12位{break;}}

//換算成實際溫度,并擴大10倍,去掉小數(shù)部分temp=(U16)((float)(temp)*0.625);//折算放入b-temp-now

數(shù)組中//高8位放整數(shù)部分，低8位放小數(shù)部分，最高位放符號位if(negtive==0xff)//若為負值{*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)|0x8000;}else{*p3=((temp/10)<<8)|(temp%10)&0x7fff;}if(negative==0xff)//若為負值{(*pt++)=0x80;}else{(*pt++)=temp/1000%10+0x30;

}(*pt++)=temp/100%10+0x30;(*pt++)=temp/10%10+0x30;(*pt++)=temp%10+0x30;p1++;p3++;}//轉換完成后清除讀回的原始溫度p1=a-temp-now;for(j=8;j>0;j--){*p1++=0x0;}}5、心得體會

在這次ARM嵌入式系統(tǒng)課程設計中，我們小組的設計課題是《基于的溫度采集系統(tǒng)設計》。通過這次課程設計，我對嵌入式系統(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)處理中的溫度采集系統(tǒng)有了更進一步的了解，同時知識面也進一步得到了擴展和加深。本次課程設計的任務主要是對基于傳統(tǒng)溫度采集系統(tǒng)的使用環(huán)節(jié)中遇到的一些問題提出的一種改進方法，有助于溫度采集系統(tǒng)更好的發(fā)展與使用，幫助我們更好的理解嵌入式系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)的原理和應用。溫度采集是一種直接數(shù)字處理方法。所謂溫度采集系統(tǒng)，就是通過溫度傳感器對被采集物體進行溫度數(shù)據(jù)的收集與處理，最后得到我們所需要的有用的數(shù)字信號并送入系統(tǒng)的下一環(huán)節(jié)進行其他操作。目前，由于傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)存在響應慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的溫度采集系統(tǒng)成為當務之急。所以，學習和應用溫度采集系統(tǒng)及其應用技術對我們以后的學習和工作有著十分重要的意義。在這次課程設計的過程中，我深深的感觸到了團隊合作的重要性，尤其是在當