基于STM32的温度监测系统设计大学本科专科毕业教育教学资料Word格式.docx
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Forhardware,thefunctionofeachmoduleispresented,includingpowersupply,datacollectionandthecentersystemandsoon.TheCPUwiththearchitectureofARMseriesM4kernelSTM32ascontrolcenter.SensorusesistheUnitedStatesDallasDS18B20,highprecision,simpleperipheralcircuit.DataforthecurrenttemperaturevaluebyTFT3.2inchcolorscreendisplay,moreintuitiveeffecttostaff.Forsoftware,therealizationofeachfunctionmoduleprogramming.
Thispapermakefulluseofcurrentadvancedtechnology,usingtheembeddedmethod,realizethereal-timemonitoringandcontrolofthetemperaturebycomputer.Designandimplementasetofefficientandstable,theoperationissimpleandthetemperaturemonitoringsystemwithhighreliability,madecertaincontributionfortemperaturemonitoringtechnology.
Keywords:
TemperaturemonitoringDS18B20STM32
第一章绪论
1.1研究背景
温度是一种与我们生活密切相关的最为基本的环境参数。
温度监测技术在危化品温度监测、婴儿箱自动控温、空调控制、冷库控制等诸多方面都有着很好的发展，因此对温度的监测方法和设备的开发具有非常深远的意义。
有资料表名，在各种传感器的数量中，温度传感器占比排在首位，大约约占50%左右。
温度监测在安全生产、节约能源、促进国民经济发展、保证产品质量、提高生产效率等诸多方面起到了关键作用。
目前科学技术的迅速发展，人民生活水平的不断提高，科学技术在生产、生活中所起到的作用越来越大。
特别是随着现代科技发展的逐渐深入，各种各样的自动化技术和计算机科学和信息技术被广泛应用于实际生产中，在尽量避免大量的资源浪费的同时，对生产中的诸多过程进行了精准的把握，充分使用了各种资源，大幅提升工业、农业产物的生产效率与品质，使人们的物质生活水平获得了前所未有的的提高。
而农业生产中，有许多外界因素会影响到植株的生长，比如温度、二氧化碳浓度、湿度、土壤的营养成分、光照强度等都会对植株的生长具有很大的影响。
要是依赖传统生产的管理方法，不但会浪费本不需要的人力、财力资本，并且还不能够使温室内的环境信息得到最实时的控制和有用的管理，如此就大大拉慢了生产的效率，制约农业的现代化进程。
在此种背景下，开发、使用流行的数字技术和自动化技术，合理的提高生产的管理方式方法就显变格外有必要了。
利用先进的监测系统，现在能够对植株所暴露的外界环境周围实时的、多样的改变进行监测，实时对获取到的的数据利用处理器来分析，同时利用通信等方法对现场状况来远程的管理和控制。
这样在给植株供应了合理的生长条件和精确生产管控的同时，也使农业土地利用率大幅度提高和农业自动化、信息化的先进管方式理成为了现实。
以微处理器为大脑的温度监测系统，因为具有售价低廉、开发难度小、监测精度高、便于操作等特点，在各种生产活动以及许多其他范畴得到了普遍的应用。
1.2温度监测技术国内外现状
随着上世界中后段网络科学、通信科学、计算机科学的逐渐发展，各种各样的先进的监测技术也就应运而生，在生产生活中起着不可替代的作用。
温度监测技术可以作为监测技术的一个代表，下面对其发展现状做一个简单的分析。
温度监测技术大概起源于十六世纪中期，最初是利用玻璃管中水由于热胀冷缩造成液面高度变化，从而大概了解温度的高低。
后续经过逐渐的改进，出现了目前常见的液体温度计，如水银温度计、酒精温度计等。
但由于不便携带、易碎、测温时间长等缺点，现又发展出了许多电子温度计。
其主要利用现代先进技术，如热敏元件，由于温度的不同造成半导体元件阻值不同，从而达到测温目的；
又如红外温度监测系统，利用辨别物体自身的红外热辐射来区分温度。
它们具有测温速度快、使用简单、可以使用在复杂电路中等特点，被广泛应用在温度监测技术中。
国外温度监测技术起步比较早，发展速度也较快，因此国内与之相比就有些滞后，还有一定的差距，大致起步于1980年前后，相对应的设备也更新换代的速度也比较慢。
我们一开始只是一点点吸收外国的相关技术，一步步熟悉了温度监测领域的实际应用。
虽然国内温度监测技术也在不断的进步，但有很多因素导致了其发展速度较慢。
经过一段时间的不断研究与探索，在温度监测技术上有了一定的发展。
但由于技术、大量剩余劳动力国情等方面的制约，还不能满足农业、工业自动化，智能化的需要。
对比发达国家同一时期，我国温度监测技术水平还有待提高。
所以说，对于温室的环境的监测是十分重要的。
其中需要监测的不只有室内氧气含量，另外室内的温度、湿度因素也很重要。
再者，一年四季不同的气候特征，也都会对整个环境有一定的影响。
例如冬季与夏季，两种极端气候条件下，如何保证环境因素的稳定，采取何种措施加以调控，也应该在我们考虑的范围之内。
对于欧美等发达国家，其国内各项先进技术都起步很早、现如今发展也达世界顶尖水平。
所以其国民对智能化、与高质量的生活有较高的要求，工业上也需要信息化、自动化作为保障，温室技术便应运而生。
国外最初在温度监测上，也是通过大量的值班人员在不同的现场对传统温度计显示的数值进行记录和分析，随后通过人工对温度系统进行管理与调节。
由于整个过程需耗费大量的人力资源，所以后来才出现了以信息技术为核心的温度监测系统。
目前国外的温度监测技术在生产与生活中已经得到了大规模的使用，该项技术可以说是发展到了相当成熟的阶段。
尤其在农业和工业上，在某些方面已经实现了完全的无人化自动管理和控制，企业与国家对于节约的人工成本十分可观，只剩下了很少的设备成本与维护成本，带动了整个经济链的利益最大化。
于此同时避免了人工监测的不确定性、不准确性与时效性差的问题，对于生产效率也得到了一个质的提升。
尤其是在冰岛、加拿大这种气候十分寒冷，自然环境较为恶劣的国家，监测技术更是发展的既迅速又广泛。
不但在温度监测方面，更是在湿度、气体浓度、光照强度等多方面进行监测，然后进行整体的管理和控制，应值得我们学习。
1.3嵌入式系统简述
1.3.1嵌入式系统概念
由电气和电子工程师协会的概念不难看出，嵌入式系统即为一种操作手段，用来控制或者辅助设备的操作[1]。
与之前相比更多的IT企业与电子行业，看好嵌入式系统的开发前景，并投入了大量的人力与财力[2]。
集造价高、先进性、独特性为一身的有机结合的体系嵌入式系统来说，诸多元素的整合是它的主要特征，被广泛应用于各种企业与行业当中。
它有着不可取代的优势，即交互性极强，十分易于调节，完全可以按照使用者的不同需求或者实际的功能替换相应的程序，设计相应的有效的硬件系统是软件与硬件相匹配，同时也使得实际应用起来更加简便自如从而达到功能的满足。
1.3.2嵌入式系统开发过程
嵌入式系统的开发由于多种因素的影响，难度较简单的以51单片机为代表的芯片加大了许多，也更为复杂，嵌入式的开发流程，如下图1.1所示：
图1.1嵌入式开发过程
微型处理器作为嵌入式系统的硬件的大脑，它的选择也是嵌入式系统的一个核心问题。
随着微型化的深入，现在生产微型芯片的厂商越来越多，他们生产出来的产品也越来越丰富多样。
不同的封装模式、不同的功能、不同的处理速度，同样对应着不同的成本和价格。
所以设计者不但应该对自己所设计的系统有一个较为深入的理解，还应对整个大环境有一个整体的认识。
因为利益驱动着技术的创新，设备、系统的研发，成本控制是一个非常尖锐的问题，如何选择一款最为合适的芯片作为嵌入式系统的核心，以及芯片性能通过后期软件升级是否会受到一定局限，这些都是开发者应该考虑到的实际问题。
嵌入式芯片选择好，只解决了最首要问题。
主处理器只作为整个系统的大脑，对于躯干的设计，也就是对于其外围电路的设计也是相当重要的。
只有各种功能模块相互协调，相互作用，才能发挥出整个系统的最好效果。
电源模块，显然电子产品都需要良好的电力支撑才能够正常的工作，电源所提供的电流，以及电压的稳定性直接影响了系统能否正常运行与设备寿命。
通信模块，现在较为流行的就是串口、以太网口，以及RS485等，用于与PC或者其他设备进行信息交互，是大型嵌入式设备都应具备的。
还有很多例如晶振模块、显示模块等硬件设计都是必不可少的。
设计者需要对整个系统有详细了解，以便进行设计。
编程语言的选择是作为软件层次的一个核心问题。
对于硬件电路做好了初步规划后，软件系统如何实现则摆在了开发者的面前。
真正合格的嵌入式开发工程师的准入门槛是非常高的，工程师需要熟练掌握不只一种的开发环境与编程语言，然后选择一款最为合适的操作系统作为开发环境，选择一种最能够适配硬件系统的编程语言来进行软件层次的设计，并最终完成对所需功能的程序的编写，从而使整套系统能正常的运转起来。
1.4课题研究意义
随着社会经济高速迅猛的发展，以及人们养身保健意识的增强，饮食养生越发的被人们所关注与推行，随之而来的是许多南北方自然种植条件被调节与改善。
本适合在南方种植的一些水果与蔬菜，在北方也创建了种植基地。
同样，反季节的食物也随之产生，满足了人们对营养均衡的需求。
例如，北方冬季只能以土豆、白菜为主菜品，现在发生了质的改变。
原本只能在夏天吃到的茄子等作物，现在到了冬季也摆上了人们的餐桌。
这种蔬菜反季生长依靠的就是温度监测技术，而实现这种温度监测技术主要靠的还是人工测量方式，劳动者的工作强度非常之大。
因此，研制出一套以减轻相关从业者的劳动强度，解决传统方式温度监测靠人工的测量方式非常必要，只要将温度传感器放置在需要测温的地点，即可将温度快速、实时的显示出来。
因为外部诸多参数的时变性，温度监测系统应用的环境中温度改变的规律性，我在这里选择了以单片机为核心的嵌入式架构。
进行系统设计以较低的成本投入达到更高效的、更合理的温度采集与控制，从而使此项温度监测技术容易操作，能够让普通的用户很容易掌握，从而节省了大量的人力资源，给各行业生产发展给予了基本保障。
1.5本论文的结构安排
第一章为绪论。
主要阐释此次设计的背景、国内与国外温度监测技术发展现况，介绍了嵌入式系统的内容，包括其概念和开发流程，其中对开发流程做了比较详细的介绍，后面说明了此次设计的开发意义。
第二章对温度监测系统架构和对温度传感器、处理器等进行选择和简单说明。
第三章对此次设计的硬件部分按照功能模块进行介绍。
第四章对此次设计的软件部分进行介绍，包括主要的模块驱动、主函数等。
第五章此温度监测系统进行了测试，对该系统的的功能和效果做了简要分析。
第六章对本次设计进行了总结与展望。
第二章总体方案设计
现在温度监测技术日益进步，相应的设备、系统种类繁多。
本次设计选择由ARM系列的STM32作为主处理器，结合温度数据采集模块、电源模块、液晶显示模块等组成。
此系统以DS18B20温度传感器作为传感模块的核心，将外界温度参数转换为数字数据交给以STM32单片机核心的中央控制单元，对数据进行实时的采集、分析与处理。
最后通过显示模块，将主处理器处理好的数据，以摄氏温度的形式直观的显示在一块液晶显示屏上。
再加上一套必不可少的电源模块就构成了此次设计的系统。
系统总体架构如图2.1所示。
图2.1总体方案架构图
2.1设计原则
对于本次系统设计，制定了以下原则：
优先保证系统的稳定性。
因为温度监测技术可以应用的范围相当广泛，所以一个具有高稳定性的系统就可以应用于各种各样的场合。
尤其是在工业和农业上，如果出现稳定性差，温度监测不准的情况，再加上无人化的生产，就有可能直接造成巨大的经济损失。
因此从元件的选择，硬件的设计就应该对品质加以保证。
对硬件模块的质量，整体电路的设计，如何减小误差上需要充分考虑。
优先保证系统的实时性。
由于温度属于一个不确定性的物理量，规律性不强，所以要做到实时准确的控制，就必须要采集系统的实时性。
想要达到实时性的目的，主要由两个方面。
其一，处理器的运算速度及性能会极大的影响到系统实时性。
若处理器价格较低，处理速度较慢就会出现运算速度较慢，数据产生滞后性的现象。
所以选择一个有良好合适性能的处理器是十分有必要的；
其二，软件程序设计需要精简、有效，避免数据经过过多的冗余运算，造成延时的后果。
另外在整个系统的能效上需要尽可能的降低，其可直接降低经济成本，同时也减少发热造成的不良隐患。
2.2处理器的选择
本设计使用微处理器的具体型号是STM32F407ZGT6，原因是STM32芯片拥有高性价比、高性能的优点，且满足一般项目的设计需要[4]。
STM32的整体性能见表2.1。
表2.1STM32性能表
由性能表2.1可以见得，STM32主要参数还是比较亮眼，有处理速度较快、电压范围宽、引脚多、偏上资源丰富、通信接口十分全面的特点。
同时其成本较为经济，芯片具有高效的指令集合优化设计，并且STM32芯片之间兼容性较高，被许多开发者所青睐。
另外还有一些ADC、DAC的数量、封装等等有所区别。
处理能力是处理器最重要的一个参数。
本次设计所使用的STM32芯片属于意法半导体公司所出品的较为低端的产品。
由于性价的原因，被很多简单、小数据量、低处理量的系统或者设备所使用，诸如转速表、手持终端等。
由于温度监测系统对处理器性能要求不是很高，所以性价比就作为了该次设计对于芯片选择的一个重点。
在市场竞争十分激烈的当今时代，如何迎合市场的需求，是摆在面前的一个亟待解决的问题。
在保证质量的前提下，降低产品的价格是唯一的路径。
价格降低，意味着成本必须降低，随之而来的，是要运用想适宜的实现方法，即缩小芯片的核心面积来达到相应的要求。
对其他芯片而言，主要优势体现在了下面几点：
（1）计算速度较快，在一般工业上应用范围很广；
（2）内部响应时间短，对于精度要求相对较高的地方使用也没有问题；
（3）性价比高，在设备中大范围用于可节省十分可观的成本；
（4）可以使用大多数流行的开发环境和编程语言来设计，简化流程；
2.3编程语言选择
由于计算机科学越来越丰富与多样化，软件编程语言也是种类繁多，现在较为流行的以JAVA、C、C++为主。
而对于嵌入式开发来说有一种最为基础的汇编语言，它通过直接对寄存器进行编写，指令执行起来效率相对较高。
但其由于可读性太差，而且现如今处理器越来越复杂，所以它逐渐没落。
本次设计采用的是C语言来进行开发。
C语言有条理性清楚、灵活度高、易于移植，继续开发性强等特点，作为了本次的编程语言。
本次选用的STM32处理器因为内部寄存器较多、结构较为复杂，片上资源非常丰富，所以通过模块化的程序设计较为合理，也符合C语言的特点。
因此C语言正在被越来越多工程师所认可。
综上所述，此次设计选择了C语言来编程。
2.4温度模块选择
当今科学技术发展的越来越快，温度传感模块也随之有了很大发展。
各式各样的传感元件，有这各自的优势和缺点，在选择时，要依据不同的需求来进行选择，避免盲从性。
较先进的、性价比相对较高的传感器、已经逐渐淘汰了旧有模式下的传感器。
高科技含量的传感器普遍呈现出智能化、集成化的特点，为更多新型的设计提供了一定帮助。
温度传感器虽然种类不同，却能以他们各自的优势：
接触型传感器价格便宜；
非接触型不受温度传感器感稳元件的耐温限制，被广泛应用于工业中的不同领域。
如属于接触型传感器中的热电偶就是工业上最常用的元件之一。
据调查，其之所以被广泛使用是因为它的测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便。
另外，热电偶还能实现冷端的温度补偿。
但需要指出的是，在使用热电偶补偿导线时，务必要做到型号相配，极性要接对，连接处的温度不要超过一百摄氏度。
又如热电阻，它不仅广泛用于工业测温，还被制成标准的基准仪。
一般情况下，对于温度传感器的选择，一般遵循以下原则。
测温区间以及测量精准度能否满足在用户的需求。
测量的主要目的是为了对温度进行控制，所以要求所监测出来的数值在要求范围内。
同时由于不同的环境，对于精度的控制有不同的需求，所以就要求设计者对实际应用环境有深入的了解，来选择合适的传感器。
传感元件监测的数值是否稳定且可靠。
一般说来，工业环境较为复杂，传感器会受到各种各样外界环境的干扰，可能会由于空气粉尘、湿度、电磁等影响，导致监测结果会产生一定的误差。
在设计前期，应该充分考虑到如何保证传感器长期有效的工作。
传感元件的开发难度和物料价格是否合理。
在实际应用中，应该综合考虑系统成本，在满足监测需求的前提下，还要尽量减少开发时间、降低成本。
最后综合各个方面的因素，本此设计选择的是型号为DS18B20的温度传感器。
它是目前唯一一种可以通过一根总线传输数据、控制、地址信息特性的的的温度传感器。
因此在实际应用上具有很大的优势[11]。
DS18B20中集成了转换电路和传感元件，在很多场合都得到了使用。
其外形管脚如下图所示。
图2.2DS18B20外形管脚图t
DS18B20引脚定义：
①GND接地；
②DQ为数据线；
③VDD接入电源。
DS18B20传感器内部结构如图2.3所示：
图2.3DS18B20内部结构
每只DS18B20的ROM在出厂前刻录好了一个64位的序列号，其可以当做是传感器的地址，并且每个地址码都不相同。
64位光刻ROM的从低到高排列为：
8位的家族代码（28H）、48位的序列号和8位的CRC循环冗余校验码构成。
光刻ROM是每只DS18B20都互不相同，能够实现单总线挂在多个传感器达到多点测温的需求。
其主要特点如下[12~15]：
（1）要求的供电电压浮动范围大同时供电方式多样，既可以单独供电，又可以通过数据线窃电，便于电源模块的设计。
（2）一线总线。
只通过一个I/O就可以完成传感器到芯片之间的控制、数据信号的双向传输，并且多个温度传感模块可以接到同一个接口，通过内部标号的识别来实现组网多点测温。
（3）体积小，集成度高。
（4）具有唯一地址码，支持多点测温。
（5）测温值较宽泛，-55～+125℃，在-10～+185℃范围内的误差为±
0.5℃。
（6）寄存器有9～12位可以编程，不同的编程位数对应不同的温度测量值的精准度。
能够实现高速、高可靠性的测温，仅需750ms的时间就可以转换12位数据。
（7）稳定性较高。
由于通过数据线传输的信号都是数字信号，数字信号自身抗干扰能力就较强。
同时该传感器还有自检能力，也在一定程度上提高了稳定性。
（8）负电压特性。
在传感器电源引脚与接地引脚接反的情况下，并不会使传感器烧毁。
2.5本章小结
在这一章涉及到的内容中，拟定了框架的设计。
其中涵盖了整个方案的全部内容，构思意图，并对具体涉及到的方方面面进行了阐述，使用了现在比较流行的C
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