基于的恒温系统的设计.doc

中华人民共和国矿业大学计算机学院 级本科生课程报告课程名称 信科专业综合实践 报告时间 .09.20 学生姓名 张谊坤 学 号 08133367 专 业 电子信息科学与技术 任课教师 王 凯 任课教师评语任课教师评语（对课程基本理论掌握；对课程知识应用能力评价；对课程报告有关实验、作品、软件等成果评价；课程学习态度和上课纪律；课程成果和报告工作量；总体评价和成绩；存在问题等）：成 绩： 任课教师签字： 年 月 日摘要针对当前温度控制在生产生活中被广泛应用，而老式温度控制系统是由功能繁杂大量分离器件构成，为了节约成本、提高系统可靠性，本文设计了一种基于STM32F103T6温度控制系统。本设计是基于DS18B20温度控制系统，以STM32F103ZET6为控制系统核心，通过嵌入式系统设计实现对温度显示和控制功能。在该系统中，为了减小干扰影响，用均值滤波算法对采样数据进行解决之后再进行温度鉴定等一系列操作根据。设计中，基本上实现了该系统功能，通过DS18B20采集温度数据，使用LCD屏幕来显示有关信息，可以通过加热和降温将温度控制在恒定范畴内，并可以手动设立恒温范畴，温度超过限制后会有声光报警。核心词：STM32F103，均值滤波，恒温控制，DS18B20目 录1 绪论11.1选题的背景及意义11.2设计思想11.3实现的功能22 硬件设计22.1硬件平台22.2硬件设计模块图32.3温度传感器DS18B2032.4 LCD屏幕62.5 DC 5V散热风扇82.6加热片83 软件设计93.1软件平台93.2软件设计模块图93.3主程序流程图103.4子程序流程图113.4.1 恒温控制子程序流程图113.4.2 flag标志设置子程序流程图123.4.3温度设置子程序流程图133.4.4温度读取函数流程图143.4.5均值滤波程序流程图153.4.6显示函数程序流程图164 调试分析164.1硬件调试164.2软件测试174.3功能实现分析175 实验总结17参考文献191 绪论 1.1选题背景及意义 21世纪是科学技术高速发展信息时代，电子技术、嵌入式技术应用已经是非常广泛，随着着科学技术和生产不断发展，在生产生活中需要对各种参数进行温度测量。因而温度一词在生产生活之中浮现频率日益增多，与之相相应，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用技术，同步它们在各行各业中也发挥着非常重要作用。如在日趋发达工业领域之中，运用测量与控制温度来保证生产正常运营；在农业生产中，用于保证蔬菜大棚恒温保产等；在科学研究中，往往也需要一种恒温环境作为实验保障。温度值是表征物体冷热限度一种物理量，温度测量则是工农和业生产过程中一种很重要也普遍参数。温度测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、安全生产、增进经济发展起到非常重要作用。由于温度测量普遍性，使得温度传感器数量在各种传感器中居首。并且随着科学技术与生产不断发展，温度传感器种类依然在不断增长和丰富以来满足生产生活中各种需要。在嵌入式温度控制系统中核心是温度测量、温度控制和温度保持，温度是工业控制对象中重要被控参数之一。因而，嵌入式要对温度测量则是对温度进行有效及精确测量，并且可以在工业生产中得广泛应用，特别在机械制造、电力工程化工生产、冶金工业等重要工业领域中，肩负着重要测量任务。在寻常工作和生活中，也被广泛应用于空调器、电加热器等各种室温测量及工业设备温度测量。但温度是一种模仿量，需要采用恰当技术和元件，将模仿温度量转化为数字量，才生使用计算机进行相应解决。1.2设计思想恒温系统应用于各种工业或者民用领域，如何精准地控制温度成为一种非常重要研究问题。本系统需要运用STM32来控制各器件工作状况，使传感器维持在一种固定温度上。本文所研究课题是基于嵌入式恒温控制系统设计，实现了温度实时监测与控制。温度控制某些，提出了用DS18B20、STM32 F103ZET6和LCD硬件电路完毕对室温实时检测及显示，运用DS18B20与嵌入式系统连接由软件与硬件电路配合来实现对加热片和散热电扇实时控制。从DS18B20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据线，该总线自身也可以向所挂接DS18B20提供电源，不需要额外电源。同步DS18S20能提供九位温度精度，它无需任何外围硬件便可以便地构成温度检测系统。加热片通过带有继电器电路驱动，由嵌入式开发板一根口线控制并供电，继电器需要嵌入式开发板提供额外电源。DC 5V散热电扇实时控制也仅仅需要一根口线，由开发板供电，不需要外加电源。并且本次设计重要实现温度监测，超温报警，温度控制，超过设定门限值时自动启动加热和散热装置等功能。并且还要以STM32开发板为主机，使温度传感器通过一根口线与嵌入式开发板相连接，再加上温度控制某些和人机交互某些来共同实现温度监测与控制。1.3实现功能（1）可以持续测量环境温度值，用LCD屏幕来显示环境实际温度。（2）可以设定恒温温度范畴，初始范畴是3033。（3）可以实现温度自动控制，如果设定温度在3033，则能使温度保持恒定在3033。（4）使用嵌入式STM32 F103ZET6控制，通过输入按键来控制恒温范畴设定值，数值采用LCD屏幕显示。（5）温度超过范畴时可以实现声光报警：LED灯和数码管闪烁，蜂鸣器报警。2 硬件设计2.1硬件平台本次设计硬件平台选用是STM32系列F103ZET6嵌入式开发板。STM芯片依照容量分为三大类：LD(不大于64K)，MD（不大于256K），HD（不不大于256K），STM32F103ZET6类属第三类。具备如下特点：1.基于ARM Cortex-M3核心32 位微控制器,LQFP-144封装.2.512K 片内FLASH（相称于硬盘）,64K片内RAM（相称于内存） ,片内FLASH 支持在线编程(IAP).3.高达72M 频率,数据,指令分别走不同流水线,以保证 CPU运营速度达到最大化 . 4.通过片内BOOT区,可实现串口下载程序(ISP).5.片内双RC 晶振,提供8M和32K 频率.6.支持片外高速晶振(8M),和片外低速晶振(32K).其中片外低速晶振可用于 CPU 实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后时钟行走.7.42个16位后备寄存器(可以理解为电池保存RAM),运用外置纽扣电池,和实现掉电数据保存功能.8.支持 JTAG,SWD调试.配合便宜J-LINK,实现高速低成本开发调试方案.9.多达80个IO(大某些兼容5V逻辑),4个通用定期器,2个高档定期器,2个基本定期器,3路SPI接口,2路I2S 接口,2路I2C接口,5路USART,一种USB从设备接口,一种 CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NAND Flash 接口16位总线-FSMC.10.3路共16通道12位AD输入,2路共2 通道12位 DA 输出.支持片外独立电压基准.11.CPU操作电压范畴:2.0-3.6V.2.2硬件设计模块图设计整体模块如图2-1所示： STM32CPUDS18B20温度传感器模块键盘模块LCD模块温度控制模块警报模块电扇加热片LED灯蜂鸣器图2-1 设计模块图如图所示，本次设计共有五大模块：DS18B20温度传感器模块、键盘模块、LCD显示模块、温度控制模块以及警报模块构成；其中温度控制模块又有小电扇和加热片两个小模块，警报模块有LED灯和蜂鸣器两个小模块。各个模块功能如下：DS18B20温度传感器模块：DS18B20为温度传感器，重要作用是温度采集。键盘模块：键盘模块共包括三个按键:K_LEFT、K_UP和K_DOWN，其中，K_LEFT重要是实现Flag标志更新，实现程序中不同模块转换，详见下面程序流图，K_UP和K_DOWN两按键重要是实现最低温度和最高温度设立。LCD显示模块：实现温度显示。温度控制模块：实现恒温控制，容许温度在设定一定范畴内变化，温度过低时加热片启动升温，温度过高时小电扇启动降温。 警报模块：警报模块重要是在温度超过正常范畴时发出警报信息，实现声光报警，重要为LED和数码管闪烁和蜂鸣器发声。2.3温度传感器DS18B20DS18B20是惯用温度传感器，具备体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高特点。工作原理：DS18B20读写时序和测温原理与DS1820相似，只是得到温度值位数因辨别率不同而不同，且温度转换时延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图2-2所示。图中低温度系数晶振振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显变化，所产生信号作为计数器2脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所相应一种基数值。计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数，当计数器1预置值减到0时，温度寄存器值将加1，计数器1预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值累加，此时温度寄存器中数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中非线性，其输出用于修正计数器1预置值。低温系数晶振斜率累加器温度寄存器比较预置=0计数器1=0计数器2预置高温系数晶振加1停止LSB置位/清除图2-2 DS18B20测温原理图DS18B20重要特性：（1）适应电压范畴更宽，电压范畴：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电（2）独特单线接口方式，DS18B20在与微解决器连接时仅需要一条口线即可实现微解决器与DS18B20双向通讯（3） DS18B20支持多点组网功能，各种DS18B20可以并联在唯一三线上，实现组网多点测温（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，所有 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内（5）温范畴55+125，在-10+85时精度为0.5（6）可编程辨别率为912位，相应可辨别温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温（7）在9位辨别率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位辨别率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快（8）测量成果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给CPU，同步可传送CRC校验码，具备极强抗干扰纠错能力（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。接线办法：面对着扁平那一面，左负右正，一旦接反就会立即发热，有也许烧毁！同步，接反也是导致该传感器总是显示85因素。实际操作中将正负反接，传感器及时发热，液晶屏不能显示读数，正负接好后显示85。特点独特一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范畴为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范畴为-55至+125。华氏相称于是-67华氏度到257华氏度 -10至+85范畴内精度为0.5温度传感器可编程辨别率为912位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，顾客可定义非易失性温度报警设立，应用范畴涉及恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统描述该DS18B20数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数)。由于DS18B20是一条口线通信，因此中央微解决器与DS18B20只有一种一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线自身获得能量，不需要外接电源。 由于每一种DS18B20包括一种独特序号，各种ds18b20s可以同步存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同地方。它用途诸多，涉及空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。DS18B20采用一线通信接口。由于一线通信接口，必要在先完毕ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。重要一方面提供如下功能命令之一： 1 ）读ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索ROM， 4 ）跳过ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一种器件64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上各种器件选定某一种器件，同步，总线也可以懂得总线上挂有有多少，什么样设备。若指令成功地使DS18B20完毕温度测量，数据存储在DS18B20存储器。一种控制功能指挥批示DS18B20表演测温。测量成果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能指挥，阅读内容片上存储器。温度报警触发器TH和TL均有一字节EEPROM 数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为普通顾客记忆用途。在片上还载有配备字节以抱负解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配备字节运用一种记忆功能指令完毕。通过缓存器读寄存器。所有数据读，写都是从最低位开始。2.4 LCD屏幕图2-3 LCD管脚图TFT-LCD 又叫做薄膜晶体管液晶显示屏，其管脚图如上，其管脚在STM32F103中有相应管脚相应。惯用液晶屏接口诸各种，8 位、9 位、16位、18 位均有。而惯用通信模式呢，重要有 6800 模式和 8080 模式两种，今天呢，咱们来讲是 8080 模式。如果人们接触过 LCD1602 或者 LCD12864 等，那么就会发现 8080 模式时序呢，其实跟 LCD1602 或者 LCD12864 读写时序是差不多。8080 接口有 5 条基本控制线和多条数据线，数据线数量重要看液晶屏使用是几位模式，有 8 根、9 根、16 根、18 根四种类型。详细如下表：表2-1 TFT-LCD各位功能可以懂得，LCD 液晶屏信号线重要有： 1) CS：用于片选选取。 2) RS：用于选取命令或者数据。 3) WR：写使能。 4) RD：读使能。 5) RESET：复位端。其时序如下图：图2-4 LCD时序图（1）在 WR 跳变为低电平之后，液晶屏开始读取总线上面数据。如果使用 IO 口模仿写入时候，可以先在总线上面写入数据，然后在跳变 WR，以保证当读取时候，总线上面数据是稳定。 （2）在 RD 跳变为低电平之后，液晶屏放置数据到总线上面。液晶屏读写时序了，人们操作时候，可以使用单片机 IO 口模仿它时序进行操作。2.5 DC 5V散热电扇散热电扇驱动电路如图2-5所示：I/O口图2-5 散热电扇驱动电路电扇仅需要一根口线驱动，当I/O输出为低电平时，三极管导通，电扇启动；当I/O输出为高电平时，电扇停止。2.6加热片加热片驱动电路如图2-6所示：I/O口图2-6 加热片驱动电路加热片也仅仅需要一根口线控制，I/O口为高电平时，继电器L与N_O端连通，加热片工作；I/O口为低电平时，继电器L与N_O端断开，加热片工作。3 软件设计3.1软件平台本设计软件平台为keil uvision4，当前使用Keil uVision4产品有Keil MDK-ARM，Keil C51，Keil C166和Keil C251。Keil uVision4具备如下特点：发展：2月发布Keil uVision4，Keil uVision4引入灵活窗口管理系统，使开发人员可以使用多台监视器，并提供了视觉上表面对窗口位置完全控制任何地方。新顾客界面可以更好地运用屏幕空间和更有效地组织各种窗口，提供一种整洁，高效环境来开发应用程序。新版本支持更多最新ARM芯片，还添加了某些其她新功能。3月ARM公司发布最新集成开发环境RealView MDK开发工具中集成了最新版本Keil uVision4，其编译器、调试工具实现与ARM器件最完美匹配。新特性：1.最新Keil uVision4 IDE，旨在提高开发人员生产力，实现更快，更有效程序开发。2.uVision4引入了灵活窗口管理系统，可以拖放到视图内任何地方，涉及支持多显示屏窗口。3.uVision4在Vision3 IDE基本上，增长了更多大众化功能。4.多显示屏和灵活窗口管理系统5.系统浏览器窗口显示设备外设寄存器信息6.调试还原视图创立并保存各种调试窗口布局7.多项目工作区简化与众多项目3.2软件设计模块图恒温系统温度检测模块报警模块恒温控制模块控制算法键盘模块显示模块图3-1 软件设计模块软件设计中共分为六大某些，温度检测模块、显示模块、报警模块、键盘模块、恒温控制模块和控制算法。温度检测模块重要是温度传感器DS18B20有关程序，实现温度采集和转换，最后为咱们惯用摄氏温度值形式；显示模块以LCD屏幕有关程序为主，实现必要信息显示；警报模块实现温度超限报警，恒温控制实现对温度恒定控制，在程序里，这两某些在一种函数里；键盘模块重要是实现温度值得设定；控制算法是对采集温度所做一种均值滤波，以排除采集错误数据。3.3主程序流程图 主程序流程图3-2如下所示：开始Flag=1？最低温设立与恒温控制图3-2主程序流程框图YFlag=2？最高温设立与恒温控制Flag=0？实时温度显示与恒温控制结束YYNNN依照按键状态更新flag值进行初始化之后，进入一种while（1）死循环里，不断依照flag值来更新工作状态。当Flag=0时，进入温度实时显示某些，在显示同步还会进行恒温状态控制；当Flag=1时，进入恒温范畴下限设立界面，运用按键设立目的值，并同步实现恒温控制；当Flag=2时，进入恒温范畴上限设立界面，运用按键设立目的值，并同步实现恒温控制。Flag标志通过按键更新，02循环，到3自动变为0。3.4子程序流程图3.4.1 恒温控制子程序流程图开始温度与否过高？执行温度过高时有关动作图3-3 恒温控制子程序流程框图Y温度与否过低？执行温度过低时有关动作温度与否正常？执行温度正常时有关动作结束YYNNN在恒温控制子程序中，通过对当前温度值判断来决定要执行动作：温度过高时，执行高温时所相应有关动作，即最左边4位数码管显示“H”字样，红色报警批示灯亮，同步电扇启动散热，加热片不工作；温度过低时，执行低温时所相应有关动作，即最左边4位数码管显示“L”字样，蓝色报警批示灯亮，同步加热片启动加热，散热电扇不工作；在温度正常显示时，数码管左4位没有显示，绿色警报批示灯亮，加热片和电扇都不工作。3.4.2 flag标志设立子程序流程图开始K_LEFT仍按下？图3-4 flag标志设立子程序流程框图K_LEFT按下？消抖延时10msNFlag+Flag=3？Flag=0YYY结束NNflag标志作为温度显示和温度设立之间转换标志，其设立过程必要清晰且对的：flag初始值为0，即初始状态为温度显示与恒温控制状态；当K_LEFT按键按下时，延时10ms以消除抖动，防止误触，然后flag标志自加1；当flag=1时，进入恒温范畴下限设立界面，并同步实现恒温控制；当flag=2时，进入恒温范畴上限设立界面，并同步实现恒温控制；flag自加到3时，会自动重置为0。 3.4.3温度设立子程序流程图温度设立子程序流程图如下所示：开始K_UP仍按下？下？图3-5 温度设立子程序流程框图K_UP按下？延时消抖动温度+0.1K_DOWN按下？Y延时消抖动K_DOWN仍按下？下？温度-0.1结束YYYNNNN恒温范畴设立重要由K_UP、K_DOWN两个按键完毕：K_UP按下，延时10ms消除抖动，防止误触，然后相应温度范畴+0.1；K_DOWN按下，延时10ms消除抖动，防止误触，然后相应温度范畴-0.1；3.4.4温度读取函数流程图温度读取函数流程图如下所示：开始初始化发送0xCC，设立单片工作方式发送0x44，启动温度转换延时，等待温度转换完毕发送0xBE,读取转换温度低字节存入a高字节存入b温度原码temp=（b8）+a）温度为负？温度值value=temp*(-0.0625)温度值value=temp*(-0.0625)返回value结束YN图3-6 温度读取函数流程图本次设计中仅使用了一种DS18B20温度传感器，依照其指令表需要先发送一种0xCC设定工作方式；然后发送0x44启动温度装换，转换数据存入9位RAM中；延时一段时间，等待温度转换完毕；发送0xBE，读取RAM中储存数据，高字节为b，低字节为a，温度转换原码temp=高字节左移8位+低字节，注意此时temp并不是咱们惯用摄氏温度值，背面还需要转换；依照温度值符号不同返回不同值，温度为正value=temp*(0.0625)，温度为负value=temp*(-0.0625)，此时value才为咱们生活中惯用摄氏温度值。3.4.5均值滤波程序流程图 开始初始化ch=readtemp()max= min= final=chi=9?chmax?min=chmax=chi+final=(final-max-min)/8返回finalNNNYYY图3-7 均值滤波流程图这里只是对持续采集10次数据进行了一次均值滤波，将10次采集温度总值减去10次中最大值和最小值后取平均数便得到了滤波后相对稳定温度值。均值滤波数据可以在程序中变化参数值来调节，完毕不同次数滤波。3.4.6显示函数程序流程图开始温度值*100将显示信息“xx.xx”存入数组dat调用GUI_Show12ASCII()函数显示结束图3-8 显示函数流程图本设计显示功能比较简朴，对要显示温度做了一种简朴解决，调用GUI_Show12ASCII()函数显示，其她某些信息显示也是通过此函数实现。这也是本次设计中局限性之处，显示功能过于简朴。4 调试分析该设计硬件电路连接组装好后来，便可进入系统调试，其重要任务是排除存在硬件故障，并完善其硬件构造，运营所设计程序，排除程序存在错误，并优化程序构造，使系统达到盼望性能。4.1硬件调试嵌入式系统硬件和软件调试应是互相进行，但普通是先排除明显硬件故障：1. 开路、短路：由于焊接技术导致开路、短路等故障。解决办法：对照原理图用万用表检测,补焊即可。2.元器件损坏：由于对所使用元器件不熟悉及制焊接过程中操作不当致使器件损坏。解决办法：仔细阅读元器件应用环境,仔细焊接。3.电源故障：上电后导致元器件损坏、无法正常供电，电路不能正常工作。电源故障涉及：电压值不符合设计规定，电源引出线与插座不相应，各档电源之间短路等。解决办法：电源必要单独调试好后来才干加到系统各个部件中。4.2软件测试设计软件某些出问题现象：1.以断点或持续方式运营时，目的没有按规定功能进行操作或什么成果也没有，是由于程序转移到某处死循环所导致。解决办法：此类错误因素是程序中跳转地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等,检查各处逻辑,更改之。2.对中断不相应。CPU不响应中断现象是持续运营时不执行中断任务程序规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。解决办法：更改中断控制寄存器设立。3.成果不精确确。系统基本上可以正常操作，但控制会有误动作或者输出成果不对的。这种错误大多是由于算法错误引起。错误因素没有查明，没有解决办法。4.3功能实现分析该设计基本上实现了筹划功能，可以实时显示并监控当前温度，当温度超过预设范畴之后会有报警提示信息，可以通过键盘手动设立恒温范畴，在温度超过恒温范畴时可以执行有关动作以保证在最短时间内回到恒温温度范畴。本次设计中局限性之处就是在显示方面，没有严格规定自己，只是调用了GUI_Show12ASCII()函数来实现简朴显示，没有实现中文和特殊字符“”显示，“”用字符“C”代替实现。5 实验总结在本次设计中，所学理论知识接受了实践检查，增强了运用所学知识能力及动手能力，为后来学习和工作打下了较好基本。本文以STM32 F103ZET6嵌入式开发板为核心，作为控制器件，温度信号通过数字式温度传感器DS18B20采集后直接转换为数字信号，开发板可以直接串行读取；温度设定通过按键完毕；可以通过加热片和电扇实现恒温控制。在嵌入式应用基本上，实现了STM32 F103嵌入式开发板控制传感器自动化温度监控系统。当前，测温控温系统迅速发展，国外测量控制系统已经相称成熟，产品也较多。近两年，国内也浮现了高精度温度控制系统产品，但对于顾客来说，价格还是偏高。由于竞争越来越激烈，当前公司发展趋势是如何提高生产效率，减少生产成本。谋求性能可靠、价格低廉，应用广泛元器件是生产过程一方面要考虑问题，因而像本设计这种控制简朴、精度较高、价格比较低廉控制系统将会有较好发展前景，因而学好嵌入式技术以及自动自动控制理论是相称重要。参照文献1张毅刚.嵌入式原理与应用M高等教诲出版社1月，第2版2曹巧媛主编.嵌入式原理与应用M北京:电子工业出版社,3何民编.嵌入式教程M北京:北京大学出版社,4金发庆编传感器技术与应用M北京机械工业出版社,5胡寿松.自动控制原理M北京：国防工业出版社，6刘伯春.智能PID调节器设计与应用M自动化，19957周润景，张丽娜.基于PROTEUS电路与嵌入式系统设计及仿真M北京:航空航天大学出版社,