基于STM32多路溫度巡檢控制系統(tǒng)硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24919基于STM32多路溫度巡檢控制系統(tǒng)硬件設(shè)計案例 1162731.1單片機系統(tǒng)設(shè)計 1274711.2電源模塊設(shè)計 3102441.3溫度采集電路設(shè)計 4144731.4顯示電路的設(shè)計 6245101.5報警電路設(shè)計 665901.6通信模塊設(shè)計 7284331.7控制電路設(shè)計 9283011.8短信報警模塊設(shè)計 101.1單片機系統(tǒng)設(shè)計集成微電路（Chips）的微型可編程邏輯運算裝置的各種性能指標(biāo)在一定程度上決定了其性能。例如，電梯中使用的集成電路集成微電路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）具有完整的控制系統(tǒng)和感應(yīng)系統(tǒng)，這將使電梯的安全指數(shù)更高。當(dāng)生產(chǎn)性能不同的電梯時，最重要的任務(wù)是選擇一個更合適的帶有集成微電路（Chips）的微型可編程邏輯運算裝置。這時，有必要精通集成電路集成微電路中的各種基本結(jié)構(gòu)和特征。帶集成微電路（Chips）的微型可編程邏輯運算裝置的實現(xiàn)主要具有以下產(chǎn)生作用的機理：可靠性高高可靠性是單集成微電路（Chips）應(yīng)用的關(guān)鍵原則。集成電路集成微電路主要用于人員類生活和工業(yè)生產(chǎn)中的一些自動控制裝置。如果系統(tǒng)中的任何問題在任何時候都只會造成工作混亂和時間延遲，但在嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。并且在各個方面都遭受了巨大的損失[15]。像一些帶有單個集成微電路（Chips）的小型系統(tǒng)一樣，它主要適用于各種行業(yè)和平民的實時控制。當(dāng)整個系統(tǒng)長時間工作時，要求帶有集成微電路（Chips）的微型可編程邏輯運算裝置具有良好的穩(wěn)定性，以在整個操作過程中保持安全性。因此，在這種情況下，安全性和可靠性已成為設(shè)計集成電路集成微電路系統(tǒng)的首要任務(wù)[16]。高性價比需要高穩(wěn)定性，但成本必須保持在較低水平，系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性必須保持在一定水平?？梢允褂?位可編程邏輯運算裝置，并且可以盡可能使用16位可編程邏輯運算裝置?？梢允褂茫⑶铱梢允褂帽M可能多的高級機裝置；不要將其使用于硬件功能，請嘗試減少組成原件數(shù)量，以便在一定程度上極大升級性價比。非常易于操作且非常易于維護(hù)通常，使用集成電路集成微電路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）的用戶絕大多數(shù)都不是專業(yè)的技術(shù)工作人員，因此在設(shè)計時，請注意用戶功能越簡單越好。與此同時，在日常使用中，即使有小故障，也要盡量避免故障，讓維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)故障原因，以便快速排除故障。強大的可擴展性快速的市場技術(shù)更替和升級，極大地提升了產(chǎn)物的更新?lián)Q代。集成電路集成微電路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）的管理設(shè)施在不斷變化，管理所需的功能也在不斷擴展。當(dāng)設(shè)計和控制帶有集成微電路（Chips）的微可編程邏輯運算裝置系統(tǒng)時，此功能不可用，但是在I/O接口，數(shù)據(jù)存儲裝置，程序存儲裝置等方面存在一定差距，并且還有擴展的空間[17]。作為總結(jié)，本文主要選擇核心芯片是ARM處理器。系列產(chǎn)品具有如下優(yōu)勢：第一，成本低廉；第二，功耗比較低；第三，數(shù)據(jù)處理速度比較快。STM32F103是由微軟意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的一款強大的Linux內(nèi)核定制芯片，它主要功能是基于cortex-M3內(nèi)核芯片進(jìn)行定制開發(fā)的。STM32F103系列的微單片機搭載32位數(shù)據(jù)處理器，因此和51系列的單片機相比來說，它對于實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時采集以及分析與處理更加高效。隨著產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，設(shè)計不能完全滿足現(xiàn)在時代人們對于傳統(tǒng)單片機功能的需求。與其它RM7相比，STM32采用Cortex-M3內(nèi)核，其性能比其它ARM7內(nèi)核要強大許多。STM32系列控制系統(tǒng)產(chǎn)品囊括了幾乎所有在工業(yè)應(yīng)用的功能程控制系統(tǒng)設(shè)計方面所能涉及的功能需求，功能強大的控制系統(tǒng)可以同時做到系統(tǒng)開發(fā)低成本、高性能、簡單操作，是作為專業(yè)軟件工程師們在進(jìn)行設(shè)計中和開發(fā)應(yīng)用控制管理系統(tǒng)時的不二之選。而且和之前的各種智能模塊單片機相比，它本身具備更加豐富多樣的外設(shè)，可以特別便捷的和其它各種智能單片機模塊建立連接，實現(xiàn)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接通信等多種應(yīng)用目的，降低了額外配置，需要自行購買外圍設(shè)備的大量配置成本，包括主頻接口的IIC、網(wǎng)絡(luò)、SPI等等，主頻速度最高可達(dá)72MHz，是一款性價比超高的基于智能模塊單片機系列[18]。由此，在本研究的多路溫度巡檢控制系統(tǒng)的設(shè)計中，控制芯片最終選定的是單片機。在單片機中，有使用32位-M3內(nèi)核，因而具有高準(zhǔn)確度、耗能少等優(yōu)點[19]。STM32F103ZET6芯片如圖1.1所示。圖1.1STM32F103ZET6芯片1.2電源模塊設(shè)計在本系統(tǒng)的設(shè)計中，使用的是雙路電源模式，一路是穩(wěn)壓電源，它的核心元件是穩(wěn)壓芯片，主要是為單片機模塊、顯示屏模塊、GSM模塊等提供穩(wěn)定的電源；一路是可控穩(wěn)壓電路，它的核心元件是穩(wěn)壓芯片，主要是提供溫感器需要的電能，在傳感器需要采集溫度數(shù)據(jù)的時候供應(yīng)電能，在不需要采集溫度數(shù)據(jù)的時候關(guān)閉電源供給，這樣可以非常有效的節(jié)約能源，較低成本投入。一路電源的控制芯片以LT1129-1.3V穩(wěn)壓芯片作為作為核心，在正常工作的情況下，輸出電壓的最小值與最大值分別為1.8V、30V，能夠為1.3V電壓提供穩(wěn)定的輸出；一路電源使用-1.3V作為主控芯片，是可控電源，正常運行狀態(tài)下最小輸入電壓為4.7V，它正常工作的輸入電壓最大可以達(dá)到40V，能夠為1.3V電壓提供穩(wěn)定的輸出[20]。如圖1.2電源模塊圖所示，輸入端的芯片通過電容接地的方法有效起到對電源的濾波和儲存能量的作用，圖中通過連接二極管防止因電源接線發(fā)生錯誤而導(dǎo)致設(shè)備受損，起到保護(hù)芯片的作用。單片機引腳與芯片的端進(jìn)行連接，在溫感器進(jìn)行溫度采集的狀態(tài)下，通過單片機引腳進(jìn)行低電平輸出，可確保正常運行，使溫感器具有所需的電源；若不采集溫度數(shù)據(jù)，通過單片機引腳進(jìn)行高電平輸出，則將進(jìn)入停止工作的狀態(tài)。圖1.2電源模塊圖1.3溫度采集電路設(shè)計該系統(tǒng)旨在將表面溫度傳感裝置用于主要目的是采集溫室大棚的環(huán)境溫度，然后通過傳輸數(shù)據(jù)至微溫度控制器上來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及分析，最后通過液晶顯示模塊顯示，能夠為使用者提供比較準(zhǔn)確的溫度提示。溫度數(shù)據(jù)采集模塊將電機周圍環(huán)境的所有收集表面溫度數(shù)據(jù)并將其集成并傳輸?shù)綆в杏糜诒砻鏈囟忍幚淼募晌㈦娐罚–hips）的主控制數(shù)字驅(qū)動微型控制裝置。收集表面溫度的主要方法有兩種，一種是通過熱敏電阻，將它的溫度阻抗轉(zhuǎn)化成熱敏電阻的溫度阻值數(shù)值，測得的溫度阻抗數(shù)值和一個固定的輸出電壓數(shù)值相對應(yīng)，單片機把輸出電壓數(shù)值替代為溫度數(shù)值，充分發(fā)揮了單片機的A/D數(shù)字轉(zhuǎn)化的特性，從而將各種環(huán)境條件下的溫度數(shù)據(jù)高效便捷的采集[21]。另一種測量方式更為高效，它是直接通過數(shù)字傳感裝置在表面溫度方面，數(shù)字表面溫度值可以通過表面溫度傳感裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字表面溫度值，單片機遵循對于與系統(tǒng)間通信有關(guān)的協(xié)議內(nèi)容，數(shù)字表面溫度傳感裝置將收集到的表面溫度數(shù)據(jù)通過集成微電路（Chips）傳送到微型可編程邏輯運算裝置，單片機遵循通信的有關(guān)協(xié)議內(nèi)容再將溫度數(shù)據(jù)讀取出來，以此獲取溫度數(shù)據(jù)。鑒于多路溫度巡檢控制系統(tǒng)在溫度采集工作中主要在室溫環(huán)境下使用，本系統(tǒng)的溫度采集元件最終選定的是數(shù)字型溫感器，溫感器存在著許多優(yōu)勢，譬如測溫范圍廣、操作簡單、成本低廉、測量精度高等，所以本次系統(tǒng)設(shè)計擇表面溫度傳感裝置DS18B20。溫感器的抗干擾能力突出，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的高精度策略，而且能源消耗特別低。溫感器與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸，無需借助其它元器件，只要提供一個I/O接口就能實現(xiàn)，寬范圍電壓供電，電壓只要大于1.3V，小于5V，即可正常工作，電壓的范圍比較寬，DS18B20的測溫范圍也特別廣，達(dá)到，并且有著±5℃的較高精度，與環(huán)境測溫需求相比較，測溫范圍能夠完全覆蓋，不僅如此，在社會生產(chǎn)和生活的各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用[22]。圖1.3溫度傳感器實物圖DS18B20溫度傳感器的工作原理與之前版本的DS1820溫度傳感器的工作原理基本一致。主要區(qū)別包括兩方面，一方面是分辨率伴隨不同時段的溫度數(shù)值導(dǎo)致延時而產(chǎn)生差異，另一方面是延時值的讀寫位數(shù)時間由2s縮小到750ms[23]。測溫原理具體見下圖1.4：圖1.4DS18B20測溫原理框圖多點組網(wǎng)是DS18B20溫度傳感器的重要特性，此特性對本系統(tǒng)設(shè)計的多點測溫功能至關(guān)重要，以并聯(lián)接線的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器在同一三線上的連接。多路溫度傳感器采集模塊具體可見圖1.5：圖1.5多路溫度傳感器采集模塊1.4顯示電路的設(shè)計在多路溫度巡檢控制系統(tǒng)設(shè)計中，為能夠讓溫度數(shù)據(jù)獲得實時顯示，并在同一屏幕上同步顯示出多區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，本設(shè)計中用的是TFT-LCD。屏幕上的每個細(xì)小顯示裝置圖像顆粒都對應(yīng)一個顯示裝置圖像顆粒浴缸電子管可以控制顯示裝置圖像顆粒電極的電壓來實現(xiàn)點顯示的驅(qū)動，TFT-LCD屏幕的彩色顯示還需要背光膜，均質(zhì)膜和彩色濾光片的配合。每個顯示裝置圖像顆粒包含紅色，綠色和藍(lán)色三種原色。通過配置要重疊的三種原色的不同大小，可以實現(xiàn)不同的顏色。液晶顯示屏的方向包括兩部分：控制裝置和控制電路。通常，驅(qū)動電路集成在LCD屏幕內(nèi)部，而控制裝置則通過外部控制集成微電路（Chips）實現(xiàn)。當(dāng)顯示屏顯示圖像時，掃描方式一般是以上向下和以左及右。其電路圖如圖1.6所示：圖1.6TFT-LCD電路圖1.5報警電路設(shè)計當(dāng)多路溫度巡檢控制系統(tǒng)溫度檢測器檢測到超過系統(tǒng)設(shè)置的溫度閾值時就會觸發(fā)系統(tǒng)自動報警，壓電式蜂鳴器是本文中采用的主要報警元器件。當(dāng)系統(tǒng)的檢測模式為自動布防時，整個監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部處于溫度檢測報警狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)控大棚內(nèi)的溫度大于或小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時，單片機的引腳將被設(shè)置為一個高電平，三極體導(dǎo)管的Q1導(dǎo)線接通，壓電式蜂鳴器報警，同時，有效發(fā)光源在二極管上的D1跟隨紅燈閃爍，直至系統(tǒng)用戶手動取消聲光警報，或者環(huán)境溫度自動回到正常范圍時，聲光報警才會停止。多路溫度巡檢控制系統(tǒng)的聲光報警電路如圖1.7。圖1.7聲光報警電路圖1.6通信模塊設(shè)計本文采用Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)作為通信模塊。Modbus是SchneiderElectric在1870年代后期開發(fā)的一種串行通信協(xié)議，該Modbus協(xié)議用于各種可編程的高邏輯數(shù)字驅(qū)動微型控制裝置，自動化設(shè)備提供了可靠的通信方法。在Modbus串行連接拓?fù)渚W(wǎng)中，通信系統(tǒng)使用主站和拓?fù)渚W(wǎng)從站之間的拓?fù)渚W(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。在拓?fù)渚W(wǎng)中，拓?fù)渚W(wǎng)主機和節(jié)點中分別只有一個拓?fù)渚W(wǎng)設(shè)備。Modbus拓?fù)渚W(wǎng)協(xié)議用于參與拓?fù)渚W(wǎng)通信。從這些節(jié)點，在每個系統(tǒng)從屬節(jié)點之間保留一個唯一的拓?fù)渚W(wǎng)地址。Modbus指定協(xié)議組中主機請求檢測和節(jié)點檢測的文件格式，函數(shù)源代碼，錯誤代碼和域地址，如下表1.1所示：表1.1主節(jié)點請求報文格式字節(jié)數(shù)11222響應(yīng)消息包括從站地址，功能代碼，注冊表數(shù)據(jù)等。在傳輸模式下，并非所有從屬節(jié)點都響應(yīng)系統(tǒng)主要節(jié)點傳輸。在其他拓?fù)渚W(wǎng)中，每個通信節(jié)點都使用“對等技術(shù)”進(jìn)行通信，因此所有節(jié)點都可以與其他節(jié)點進(jìn)行通信。在單播模式下的通信過程中，每個節(jié)點都可以充當(dāng)系統(tǒng)主要節(jié)點或系統(tǒng)從屬節(jié)點。節(jié)點內(nèi)提供了多個通道，以允許同時進(jìn)行傳輸過程。響應(yīng)消息包括從站地址，功能代碼，注冊表數(shù)據(jù)等。在傳輸模式下，并非所有從屬節(jié)點都響應(yīng)系統(tǒng)主要節(jié)點傳輸。在其他拓?fù)渚W(wǎng)中，每個通信節(jié)點都使用“對等技術(shù)”進(jìn)行通信，因此所有節(jié)點都可以與其他節(jié)點進(jìn)行通信。在單播模式下的通信過程中，每個節(jié)點都可以充當(dāng)系統(tǒng)主要節(jié)點或系統(tǒng)從屬節(jié)點。節(jié)點內(nèi)提供了多個通道，以允許同時進(jìn)行傳輸過程。雖然任何節(jié)點都可以開始傳輸，但由于它只能充當(dāng)系統(tǒng)主要節(jié)點，并等待您接收來自指定從屬節(jié)點的響應(yīng)。當(dāng)指定的從屬節(jié)點收到消息時，它將根據(jù)Modbus協(xié)議生成響應(yīng)格式，并將其返回給系統(tǒng)主要節(jié)點。STM32F103ZET6單片機利用外接RS-485轉(zhuǎn)換器，采用UART3，實現(xiàn)RS-485接口。隨著現(xiàn)代工業(yè)過程自動化應(yīng)用水平迅速提升。但由于在各種工業(yè)控制過程等環(huán)境嘈雜，容易引起要發(fā)送的射頻信編號的頻率發(fā)送。此外，RS-232系統(tǒng)間通信模式下的最大數(shù)據(jù)傳輸距離相對較短，因此在不需要增加數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的條件情況下最高只能達(dá)到15米的距離。數(shù)據(jù)傳輸方式為RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用差分傳輸，差分屬于數(shù)據(jù)系統(tǒng)間通信傳輸，它的一些基本優(yōu)點主要體現(xiàn)有：差分操作相對簡單且成本低、擁有極強的噪聲抑制，傳輸數(shù)據(jù)之間的距離長，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)乃捷^高等?；赗S-485的通信傳輸方法具有許多優(yōu)點，例如，距離長，節(jié)點多次通信（通常最多256個），數(shù)據(jù)傳輸線寬且價格低廉。這是一種現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)間通信應(yīng)用中進(jìn)行傳輸無線數(shù)據(jù)的系統(tǒng)間通信標(biāo)準(zhǔn)是第一選擇[24]。芯片與單片機電路連接原理具體可見下圖1.8。其中，單片機的有兩個引腳：、PB11，單片機的引腳分別連接芯片的引腳。RS-485差分傳輸線是ADM2582芯片的A、B兩個引腳，Modbus從站設(shè)備與A、B兩個引腳相連接。圖1.8ADM2582E與STM32F103ZET6連接電路原理圖表1.2ADM2582E主要引腳功能描述表名稱功能描述GND邏輯端電源地VDD邏輯端供電電源RxD輸出接收/RE接收使能控制，低有效DE發(fā)送使能控制，高有效TxD輸入發(fā)送本設(shè)計中，Modbus協(xié)議的接口選擇的是機用485接口，通信收發(fā)芯片選擇的是ADM2582E。1.7控制電路設(shè)計繼電器模塊作為多路溫度巡檢控制系統(tǒng)中的執(zhí)行控制部分，可以說是調(diào)控溫室大棚溫度的關(guān)鍵器件。根據(jù)本節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)實需要，每個控制單元都添加一個具有標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的雙向繼電裝置系統(tǒng)模組，如圖1.9所示：圖1.9繼電裝置系統(tǒng)模組的物理圖本次系統(tǒng)設(shè)計中采用的繼電裝置系統(tǒng)模組主要由兩部分組成，第一部分是輸入端子，第二部分是輸出端子。輸入端子包括電力能源（E-Power)輸入（VCCGND），信編號輸入（IN1，IN2）和通信端口RS485（A，B）。用作公共端子，兩個干節(jié)點輸出是輸出端子，通常處于關(guān)閉狀態(tài)，否，它過于打開。繼電裝置系統(tǒng)模組的電氣特性如表1.4所示：表1.4繼電器模塊的電氣特性表名稱參數(shù)輸入電源DC9-24V輸入信號DC3-24V輸出電流10A通信協(xié)議RS485Modbus協(xié)議系統(tǒng)間通信速率115200kps待機靜態(tài)功耗<1mA指示燈系統(tǒng)間通信、輸出指示 在本驅(qū)動系統(tǒng)整體設(shè)計中，繼電器有兩個，每個繼電器都有一個紅燈，當(dāng)溫度高于設(shè)置的閾值范圍時，其中一個繼電器啟動，亮起紅燈并發(fā)出響聲；當(dāng)溫度低于設(shè)置的閾值范圍時，另外一個繼電器啟動，亮起紅燈并發(fā)出響聲。由此，用戶使用時可以由通信指示裝置輕松觀察是否存在通信。因此，根據(jù)種植要求，在檢查相關(guān)輔助設(shè)備時，必須按照圖1.10所示的繼電裝置系統(tǒng)模組的電氣特性連接繼電裝置系統(tǒng)模