基于STM32芯片的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

1溫度測量系統(tǒng)設(shè)計要求該溫度測量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)囟冗M行實時測量，以數(shù)值形式在屏幕上顯示出來。并且可以通過串口與計算機做數(shù)據(jù)通信，將溫度數(shù)據(jù)實時上傳到計算機，結(jié)合計算機軟件實現(xiàn)外部功能擴展。溫度測量探頭的工作溫度為-50℃至200℃。測量系統(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，測量系統(tǒng)硬件和軟件都可以實現(xiàn)擴展。本文從實現(xiàn)以上所述根本功能出發(fā)，對整個溫度測量系統(tǒng)進行設(shè)計。2溫度測量系統(tǒng)設(shè)計方案設(shè)計思路為是通過熱敏電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大后進行模數(shù)采集后的到數(shù)字信號，再進行數(shù)字濾波處理后，通過顯示器將溫度的數(shù)值顯示出來。溫度數(shù)值顯示數(shù)字濾波溫度數(shù)值顯示數(shù)字濾波信號放大溫度采集圖2.1溫度測量系統(tǒng)設(shè)計方案示意圖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)系的電阻來采集溫度，最后通過阻值的變化來反映出溫度。Pt100鉑熱電阻與溫度之間存在一定關(guān)系，通過阻值的變化可以得到對應(yīng)的溫度。有些是采用熱電偶的方式，溫度檢測局部可以使用低溫?zé)崤迹瑹犭娕加蓛蓚€焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點保持在溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。本設(shè)計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℃時鉑電阻值，R0為0℃時鉑電阻值，A、B、C為常數(shù)。鉑熱電阻不同分度號對應(yīng)有相應(yīng)分度表，即R(t)?t關(guān)系表。實際測量中，只要測得熱電阻的阻值，即可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值?；菟雇姌颉灿址Q單臂電橋〕是一種可以精確測量電阻的電路。他由四個電阻組成的電橋電路，這四個電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來測量物理量的變化，單片機采集可變電阻兩端的電壓然后處理，就可以計算出相應(yīng)的物理量的變化，是一種精度很高的測量方式。如上圖，電橋平衡時，檢流計所在支路電流為零，那么有：〔1〕流過R1和R4的電流相同，流過R2和R3的電流相；〔2〕B，D兩點電勢相等。圖2.2惠斯通電橋示意圖由于三個阻值，便可求得第四個電阻。測量時，選擇適當?shù)碾娮枳鳛镽1和R2，用一個可變電阻作為R3，令被測電阻充當R4，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，而且可利用高靈敏度的檢流計來測零，故用電橋測電阻比用歐姆表精確。電橋不平衡時，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及三個臂的電阻值求得第四個臂的阻值，因此不平衡電橋原那么上也可測量電阻。在不平衡電橋中，使R4為要測量阻值的熱敏電阻，而R1、R2和R3的阻值相等。BD端電壓和R4阻值有以下對于關(guān)系：△V=(R4R1+R4-R2設(shè)R1、R2和R3的阻值為R，所以，通過采集BD間的電壓△V，經(jīng)過運算后，即可得到R4的阻值。R4和△V有一下關(guān)系：R4=（2.2信號放大處理信號放大處理使用MCP6002芯片進行，MicrochipTechnologyInc.的MCP6002運算放大器專為通用應(yīng)用而設(shè)計。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容性負載容限。這個系列工作電壓低至1.8V，100μA〔典型值〕靜態(tài)電流。電源為范圍1.8V至5.5V。圖2.3MCP6002簡圖MCP6002芯片中包含了兩個運算放大器，本設(shè)計中只使用一個，另外一個留作擴展。VDD接電源正極，VSS接電源負極，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)療和消費類市場的各種應(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，同時樹立了嵌入式應(yīng)用的里程碑。該系列利用一流的外設(shè)和低功耗、低壓操作實現(xiàn)了高性能，同時還以可接受的價格、利用簡單的架構(gòu)和簡便易用的工具實現(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)置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個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12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個ADC共用多達21個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，自動進行在選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)后，使用加權(quán)遞推平均濾波法對數(shù)據(jù)進行濾波。遞推平均濾波法是指在存儲器中，開辟一個區(qū)域作為暫存隊列使用，隊列的長度固定為N，每進行一次新的測量，把測量結(jié)果放入隊尾，而扔掉原來隊首的那個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有個“最新〞的數(shù)據(jù)。遞推平均項數(shù)的選取是比擬重要的環(huán)節(jié)，N選得過大，平均效果好，但是，對參數(shù)變化的反響不靈敏；N選得過小，濾波效果不顯著。圖2.4STM32F103RCT6實物圖加權(quán)遞推平均濾波法是對遞推平均濾波法的改良，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常是，越接近現(xiàn)時的數(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，但信號平滑度越低。2.4溫度數(shù)值顯示本設(shè)計使用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模塊實物圖3電路設(shè)計本系統(tǒng)的電路設(shè)計包括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、開關(guān)按鈕、瞬態(tài)浪涌抑制二極管、可恢復(fù)保險絲和鉭電容等等，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)部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜計算機的最正確選擇。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)二極管簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護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、無損壞極限、體積小等優(yōu)點。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自動識別設(shè)備為高速還是低速靠上拉電阻在D+還是D-上區(qū)別，電阻阻值的不標準會影響USB自動識別資源分配，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實時時鐘功能。內(nèi)部時鐘的精度不高，溫飄也比擬大，所以我們主要使用外部的12M高速時鐘。外部高速時鐘經(jīng)過鎖相環(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默認上拉，當復(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)計中USB與計算機通信用CH340芯片完成，溫度測量系統(tǒng)通過CH340可以把溫度數(shù)據(jù)實時上傳到計算機，結(jié)合計算機軟件實現(xiàn)其他功能的拓展。CH340芯片還能實現(xiàn)通過USB接口一鍵下載程序到STM32F103RCT6上。CH340是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(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，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到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。計算機端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。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。當使用5V工作電壓時，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芯片正常工作時需要外部向XI引腳提供12MHz的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH340內(nèi)置的反相器通過晶體穩(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12MHz的晶體，并且分別為XI和XO引腳對地連接振蕩電容。一鍵下載電路的具體實現(xiàn)過程：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，即實現(xiàn)設(shè)置BOOT0為1，同時Q1也會導(dǎo)通，STM32F103RCT6的復(fù)位腳RESET被拉低，實現(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STM32F103RCT6的復(fù)位引腳因為Q1不導(dǎo)通，變?yōu)楦唠娖剑瓿蓮?fù)位，但是BOOT0還維持在1，從而進入ISP模式，接著MCUISP就可以和STM32F103RCT6連接，下載代碼，從而實現(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)計使用Pt100鉑熱電阻對溫度進行采集，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，電橋兩端連接到運算放大器MCP6002的VINA+和VINA-上，運算放大器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，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MCP6002中的另外一個運算放大器的三個引腳VINB+、VINB-和VOUTB也引出來，作為擴展接口。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個管腳，在16條線中，只用了15條，有一個是懸空的。15條線中，電源和地線占了2條，還剩下13條信號線。在不同模式下，需要的信號線數(shù)量不同，在8080模式下，需要全部13條信號線，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，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溫度測量系統(tǒng)PCB設(shè)計圖4程序設(shè)計構(gòu)架程序首先要對串口、ADC、OLED進行初始化，接下來是對局部數(shù)據(jù)初始化。程序設(shè)計的核心是加權(quán)遞推平均濾波算法的設(shè)計。算法的設(shè)計架構(gòu)如下：圖4程序設(shè)計流程圖加權(quán)遞推平均濾波算法實現(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